Zoals iedereen die sieraden heeft gekocht kan bevestigen, platina is duur. Dat is moeilijk voor de consument, maar ook een serieuze hindernis voor een veelbelovende elektriciteitsbron voor voertuigen:de waterstofbrandstofcel, die op platina vertrouwt.

Nu een onderzoeksteam onder leiding van Bruce E. Koel, een professor in biologische en chemische technologie aan de Princeton University, heeft een deur geopend voor het vinden van veel goedkopere alternatieven. In een paper gepubliceerd op 4 april in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de onderzoekers meldden dat een chemische verbinding op basis van hafnium ongeveer 60 procent zo effectief werkte als platina-gerelateerde materialen, maar tegen ongeveer een vijfde van de kosten.

"We hopen iets te vinden dat overvloediger en goedkoper is om reacties te katalyseren, " zei Xiaofang Yang, hoofdwetenschapper bij HiT Nano Inc. en gastmedewerker bij Princeton die samen met Koel aan het project werkt.

Brandstofcellen werken door energie die is opgeslagen in waterstofatomen direct om te zetten in elektriciteit. NASA gebruikt al lang brandstofcellen om satellieten en andere ruimtemissies van stroom te voorzien. Vandaag, ze beginnen te worden gebruikt voor elektrische auto's en bussen.

Waterstof is het eenvoudigste en meest voorkomende element, niet alleen op deze planeet, maar ook in het bekende heelal.

Op het meest basale niveau, brandstofcellen produceren elektriciteit door waterstof te splitsen in zijn twee componenten, een proton en een elektron. De protonen stromen door een membraan en combineren met zuurstof om water te vormen. De negatief geladen elektronen stromen naar een positief geladen pool in de brandstofcel. Deze stroom van elektronen is de stroom die de brandstofcel genereert, die motoren of andere elektrische apparaten kunnen aandrijven. Deze splitsing vereist een materiaal zoals platina om de reactie te katalyseren.

Katalysatoren worden ook gebruikt in reacties die het waterstofgas creëren dat als brandstof voor de brandstofcel dient. In de meest wenselijke, fossiele brandstof onafhankelijke zaak, hernieuwbare elektrische energie kan worden gebruikt om watermoleculen (twee waterstofatomen en één zuurstof) te splitsen in aanwezigheid van een katalysator. De reactie splitst het water in zuurstof- en waterstofgassen. Hoe efficiënter de katalysator, hoe minder energie er nodig is om het water te splitsen.

Sommige geavanceerde brandstofcellen, regeneratieve brandstofcellen genoemd, combineer beide reacties. Maar de meeste huidige brandstofcellen zijn afhankelijk van waterstof die door afzonderlijke systemen wordt gemaakt en als brandstof wordt verkocht.

Direct, de beste katalysatoren voor beide reacties zijn metalen uit de platinagroep. De onderzoekers denken niet dat dat zal veranderen omdat "platina bijna perfect is, " zei Koel. Met metalen uit de platinagroep, de elektrochemische reacties om de waterstof te onttrekken zijn snel en efficiënt, plus de metalen zijn bestand tegen de zware zure omstandigheden die momenteel voor dergelijke reacties vereist zijn.

Het probleem, Hoewel, is dat platina zeldzaam en kostbaar is. "Je kunt je niet voorstellen dat je de transportinfrastructuur vervangt door brandstofcellen op basis van platina, "Zei Koel. "Het is te zeldzaam en te duur om op die schaal te gebruiken."

Voor dergelijke toepassingen is platina's perfectie is misschien niet nodig. Een goed genoeg vervanger, vonden de onderzoekers, is hafniumoxyhydroxide dat is behandeld met een stikstofplasma (plasma is een geïoniseerd gas en is een toestand van materie die wordt aangetroffen in fluorescentielampen en de zon) om stikstofatomen in het materiaal op te nemen.

Eerder, veel materialen zijn over het hoofd gezien voor elektrochemische toepassingen omdat ze niet-geleidend zijn. Echter, de onderzoekers ontdekten dat de verwerking van hafniumoxide met het stikstofplasma een dunne film van materiaal vormt die functioneert als een zeer actieve katalysator die ook overleeft in sterk zure omstandigheden.

Hoewel deze op hafnium gebaseerde film slechts ongeveer tweederde zo effectief is als platina, hafnium is veel goedkoper dan platina. De onderzoekers zijn van plan om zirkonium te testen, wat nog goedkoper is, De volgende.

Hoewel ze nuttig kunnen zijn in brandstofcellen, Yang en Koel geloven dat dit soort materialen het meest waardevol kunnen zijn in systemen die een katalysator gebruiken om water elektrochemisch te splitsen om waterstof te produceren voor gebruik als brandstof.

"De toekomstige hernieuwbare economie hangt sterk af van hoe we water efficiënt kunnen splitsen om waterstof te genereren. " zei Yang. "Deze stap is behoorlijk belangrijk."

Maar Yang en Koel benadrukken dat hun ontdekking op dit moment niet zal leiden tot een stroom van nieuwe betaalbare technologieën, of zelfs in de nabije toekomst. Direct, de procedure om het materiaal te maken is complex en beperkt tot het laboratorium. Hoewel ze de uitvoering van de film hebben bevestigd, men moet altijd rekening houden met de engineering die nodig is om het praktisch op grote schaal te maken. In plaats daarvan, deze ontdekking opent de deur naar verdere verkenning van materialen die mogelijk platina kunnen vervangen.

"We begrijpen nog steeds niet waarom dit specifieke materiaal zo speciaal is, maar we hebben vertrouwen in de eigenschappen die we hebben gemeten, ' zei Koel. 'Het materiaal is ingewikkeld, dus we hebben veel werk te doen."