Wetenschappers van Stanford University hebben een elektrokatalytisch mechanisme ontworpen dat werkt als een zoogdierlong om water in brandstof om te zetten. Hun onderzoek, gepubliceerd op 20 december in het tijdschrift Joule , zou kunnen helpen bestaande technologieën voor schone energie efficiënter te laten werken.

Het in- en uitademen is voor de meeste organismen zo automatisch dat het als eenvoudig kan worden aangezien, maar het ademhalingsproces van zoogdieren is eigenlijk een van de meest geavanceerde systemen voor gasuitwisseling in twee richtingen die in de natuur worden gevonden. Met elke ademhaling, lucht beweegt door de kleine, passage-achtige bronchiolen van de longen totdat deze kleine zakjes bereikt die alveoli worden genoemd. Vanaf daar, het gas moet in de bloedbaan terechtkomen zonder simpelweg te diffunderen, waardoor er zich schadelijke bellen zouden vormen. Het is de unieke structuur van de longblaasjes - inclusief een micron dik membraan dat watermoleculen aan de binnenkant afstoot en ze aan de buitenkant aantrekt - die voorkomt dat die bellen worden gevormd en de gasuitwisseling zeer efficiënt maakt.

Wetenschappers in het laboratorium van senior auteur Yi Cui bij de afdeling Materials Science and Engineering van Stanford University lieten zich door dit proces inspireren om betere elektrokatalysatoren te ontwikkelen:materialen die de snelheid van een chemische reactie bij een elektrode verhogen. "Technologieën voor schone energie hebben het vermogen aangetoond van snelle afgifte van gasreactant aan de reactie-interface, maar het omgekeerde pad - efficiënte gasproductevolutie van het katalysator / elektrolyt-interface - blijft een uitdaging, " zegt Jun Li, de eerste auteur van de studie.

Het mechanisme van het team bootst structureel de longblaasjes na en voert twee verschillende processen uit om de reacties te verbeteren die duurzame technologieën zoals brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen aandrijven.

Het eerste proces is analoog aan uitademen. Het mechanisme splitst water om waterstofgas te produceren, een schone brandstof, door watermoleculen in de anode van een batterij te oxideren en ze in de kathode te reduceren. Zuurstofgas (samen met het waterstofgas) wordt snel geproduceerd en getransporteerd door een dunne, alveolusachtig membraan gemaakt van polyethyleen - zonder de energiekosten van het vormen van bellen.

Het tweede proces lijkt meer op inademing en genereert energie door een reactie waarbij zuurstof wordt verbruikt. Zuurstofgas wordt geleverd aan de katalysator op het elektrodeoppervlak, dus het kan worden gebruikt als reactant tijdens elektrochemische reacties.

Hoewel het zich nog in de beginfase van ontwikkeling bevindt, het ontwerp lijkt veelbelovend. Het ongewoon dunne nano-polyethyleenmembraan blijft langer hydrofoob dan conventionele op koolstof gebaseerde gasdiffusielagen, en dit model kan hogere stroomdichtheidssnelheden en een lager overpotentiaal bereiken dan conventionele ontwerpen.

Echter, dit op de longen geïnspireerde ontwerp heeft nog wat ruimte voor verbetering voordat het klaar zal zijn voor commercieel gebruik. Aangezien het nano-polyethyleenmembraan een op polymeer gebaseerde film is, het verdraagt ​​geen temperaturen hoger dan 100 graden Celsius, die de toepassingen ervan zou kunnen beperken. Het team gelooft dat dit materiaal kan worden vervangen door even dunne nanoporeuze hydrofobe membranen die in staat zijn om grotere hitte te weerstaan. Ze zijn ook geïnteresseerd in het opnemen van andere elektrokatalysatoren in het ontwerp van het apparaat om hun katalytische mogelijkheden volledig te verkennen.

"De ademhaling-nabootsende structuur zou kunnen worden gekoppeld aan vele andere ultramoderne elektrokatalysatoren, en verdere verkenning van de gas-vloeistof-vaste driefasige elektrode biedt opwindende mogelijkheden voor katalyse, " zegt Jun Li.