Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of Arkansas hebben een zeer efficiënte katalysator ontwikkeld voor het extraheren van elektrische energie uit ethanol, een gemakkelijk op te slaan vloeibare brandstof die kan worden gegenereerd uit hernieuwbare bronnen. De katalysator, beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society , stuurt de elektro-oxidatie van ethanol langs een ideale chemische weg die het volledige potentieel van opgeslagen energie van de vloeibare brandstof vrijmaakt.

"Deze katalysator is een gamechanger die het gebruik van ethanolbrandstofcellen mogelijk zal maken als een veelbelovende bron van 'off-the-grid' elektrische stroom met hoge energiedichtheid, " zei Jia Wang, de Brookhaven Lab-chemicus die het werk leidde. Een bijzonder veelbelovende toepassing:drones op vloeibare brandstofcellen.

"Ethanolbrandstofcellen zijn lichtgewicht in vergelijking met batterijen. Ze zouden voldoende vermogen leveren voor het besturen van drones met vloeibare brandstof die gemakkelijk tussen vluchten kan worden bijgevuld, zelfs op afgelegen locaties, ’ merkte Wang op.

Veel van de potentiële kracht van ethanol zit opgesloten in de koolstof-koolstofbindingen die de ruggengraat van het molecuul vormen. De door Wang's groep ontwikkelde katalysator onthult dat het verbreken van die banden op het juiste moment de sleutel is tot het ontsluiten van die opgeslagen energie.

"Elektro-oxidatie van ethanol kan 12 elektronen per molecuul produceren, " zei Wang. "Maar de reactie kan vorderen door veel verschillende wegen te volgen."

De meeste van deze routes resulteren in onvolledige oxidatie:de katalysatoren laten koolstof-koolstofbindingen intact, minder elektronen vrijgeven. Ze strippen ook al vroeg in het proces waterstofatomen af, het blootstellen van koolstofatomen aan de vorming van koolmonoxide, die het vermogen van de katalysatoren om in de loop van de tijd te functioneren "vergiftigt".

"De volledige oxidatie van ethanol met 12 elektronen vereist het verbreken van de koolstof-koolstofbinding aan het begin van het proces, terwijl waterstofatomen nog steeds vastzitten, omdat de waterstof de koolstof beschermt en de vorming van koolmonoxide voorkomt, " zei Wang. Toen, meerdere stappen van dehydrogenering en oxidatie zijn nodig om het proces te voltooien.

De nieuwe katalysator, die reactieve elementen combineert in een unieke kern-schaalstructuur die wetenschappers van Brookhaven hebben onderzocht voor een reeks katalytische reacties, versnelt al deze stappen.

Om de katalysator te maken, Jingyi Chen van de Universiteit van Arkansas, die een deel van dit project gastwetenschapper was bij Brookhaven, ontwikkelde een synthesemethode om platina en iridium samen op gouden nanodeeltjes af te zetten. Het platina en iridium vormen "monoatomaire eilanden" over het oppervlak van de gouden nanodeeltjes. die regeling, Chen merkte op, is de sleutel die verantwoordelijk is voor de uitstekende prestaties van de katalysator.

"De gouden nanodeeltjeskernen induceren trekspanning in de platina-iridium mono-atomaire eilanden, wat het vermogen van die elementen om de koolstof-koolstofbindingen te splitsen vergroot, en dan zijn waterstofatomen weghalen, " ze zei.

Zhixiu Liang, een afgestudeerde student van Stony Brook University en de eerste auteur van het artikel, voerde studies uit in het laboratorium van Wang om te begrijpen hoe de katalysator zijn recordhoge energieconversie-efficiëntie bereikt. Hij gebruikte "in situ infrarood reflectie-absorptie spectroscopie" om de reactie tussenproducten en producten te identificeren, het vergelijken van die geproduceerd door de nieuwe katalysator met reacties met behulp van een goudkern/platina-omhulselkatalysator en ook een platina-iridiumlegeringskatalysator.

"Door de spectra te meten die worden geproduceerd wanneer het infraroodlicht wordt geabsorbeerd in verschillende stappen in de reactie, deze methode stelt ons in staat om te volgen, bij elke stap, welke soorten zijn gevormd en hoeveel van elk product, Liang zei. "De spectra onthulden dat de nieuwe katalysator ethanol naar de 12-elektronen volledige oxidatieroute stuurt, het volledige potentieel van opgeslagen energie van de brandstof vrijmaken."

De volgende stap, Wang merkte op, is om apparaten te ontwikkelen die de nieuwe katalysator bevatten.

De mechanistische details die door deze studie worden onthuld, kunnen ook helpen bij het rationele ontwerp van toekomstige multicomponent-katalysatoren voor andere toepassingen.