Nieuw onderzoek suggereert dat grafeen - op een specifieke manier gemaakt - kan worden gebruikt om duurzamere waterstofbrandstofcellen voor auto's te maken.

In de studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal , wetenschappers produceerden grafeen via een speciaal, schaalbare techniek en gebruikte het om waterstofbrandstofcelkatalysatoren te ontwikkelen. Het onderzoeksteam, met wetenschappers van de Queen Mary University of London en University College London (UCL), toonde aan dat dit nieuwe type op grafeen gebaseerde katalysator duurzamer was dan in de handel verkrijgbare katalysatoren en overeenkwam met hun prestaties.

Waterstofbrandstofcellen zetten chemische energie om in elektrische energie door waterstof en zuurstof te combineren met behulp van katalysatoren. Aangezien het enige bijproduct van de reactie water is, ze bieden een efficiënte en milieuvriendelijke stroombron.

Platina is de meest gebruikte katalysator voor deze brandstofcellen, maar de hoge kosten ervan vormen een groot probleem voor de commercialisering van waterstofbrandstofcellen. Om dit probleem aan te pakken, commerciële katalysatoren worden meestal gemaakt door kleine nanodeeltjes van platina op een goedkopere koolstofdrager te decoreren, de slechte duurzaamheid van het materiaal verkort echter de levensduur van de huidige brandstofcellen aanzienlijk.

Eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat grafeen een ideaal ondersteuningsmateriaal kan zijn voor brandstofcellen vanwege de corrosieweerstand, groot oppervlak en hoge geleidbaarheid. Echter, het grafeen dat tot nu toe in de meeste experimenten is gebruikt, bevat veel defecten, wat betekent dat de voorspelde verbeterde weerstand nog niet is bereikt.

De techniek die in het onderzoek wordt beschreven, produceert hoogwaardig grafeen versierd met platina-nanodeeltjes in een éénpotssynthese. Dit proces kan worden opgeschaald voor massaproductie, openstelling van het gebruik van op grafeen gebaseerde katalysatoren voor wijdverbreide energietoepassingen.

Professor Dan Brett, Hoogleraar elektrochemische technologie aan de UCL, zei:"Het voldoen aan de wereldwijde vraag naar energie zonder het milieu te schaden, is een van de grote moderne uitdagingen. Brandstofcellen op waterstof kunnen schonere energie leveren en worden al in sommige auto's gebruikt als alternatief voor benzine of diesel. een grote belemmering voor hun wijdverbreide commercialisering is het vermogen van katalysatoren om bestand te zijn tegen uitgebreide cycli die nodig zijn voor hun gebruik in energietoepassingen. We hebben aangetoond dat we door het gebruik van grafeen in plaats van de typische amorfe koolstof als dragermateriaal, ultraduurzame katalysatoren kunnen maken."

De onderzoekers bevestigden de duurzaamheid van de op grafeen gebaseerde katalysator met behulp van een type test gebaseerd op die aanbevolen door het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE), zogenaamde versnelde stresstests. Versnelde stresstests belasten de katalysator opzettelijk snel over vele cycli in korte tijd, waardoor wetenschappers de stabiliteit van nieuwe materialen kunnen beoordelen zonder ze maanden of jaren in een operationele brandstofcel te hoeven gebruiken.

Met behulp van deze testen, de wetenschappers toonden aan dat het verlies aan activiteit over dezelfde testperiode ongeveer 30 procent lager was in de nieuw ontwikkelde op grafeen gebaseerde katalysator, vergeleken met commerciële katalysatoren.

Gyen Ming engel, doctoraat student en hoofdauteur van de studie, van UCL, zei:"De DoE stelt tests en doelen vast voor de duurzaamheid van brandstofcellen, met één versnelde stresstest om normale bedrijfsomstandigheden te simuleren en één om de hoge spanningen te simuleren die worden ervaren bij het opstarten en afsluiten van de brandstofcel. De meeste onderzoeken in de grafeenruimte evalueren alleen met behulp van een van de aanbevolen tests. Echter, omdat we hoogwaardig grafeen in ons materiaal hebben, we zijn erin geslaagd om een ​​hoge duurzaamheid te bereiken in zowel tests als onder lange testperioden, wat belangrijk is voor de toekomstige commercialisering van deze materialen. We kijken ernaar uit om onze nieuwe katalysator in commerciële technologie op te nemen en de voordelen van brandstofcellen met een langere levensduur te realiseren."

Grafeen is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen die in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Ondanks de relatief eenvoudige structuur, grafeen wordt verondersteld opmerkelijke eigenschappen te hebben, waaronder een hoge elektrische geleidbaarheid, hoge transparantie en hoge flexibiliteit.

Dr. Patrick Cullen, Docent hernieuwbare energie aan de Queen Mary University of London, zei:"Door de jaren heen er is veel hype geweest rond grafeen en het enorme aantal veelbelovende toepassingen voor dit materiaal. Echter, de onderzoeksgemeenschap wacht nog steeds op de realisatie van haar volledige potentieel, en dit heeft geleid tot enige negativiteit rond dit voorgestelde 'wondermateriaal'. Deze mening wordt niet geholpen door het feit dat veel onderzoeken naar grafeen defecte versies van grafeen gebruiken. We hopen dat dit artikel het vertrouwen in grafeen kan herstellen en laat zien dat dit materiaal een groot potentieel heeft voor het verbeteren van technologie, zoals brandstofcellen, nu en in de toekomst."