Een enkel apparaat dat zowel brandstof als oxidatiemiddel uit water genereert en, wanneer een schakelaar wordt omgezet, zet de brandstof en zuurstof om in elektriciteit en water, heeft tal van voordelen voor terrestrische, ruimtevaart en militaire toepassingen. Van lage milieu-impact tot hoge energiedichtheid, het ontwikkelen van efficiënte unitized regeneratieve brandstofcellen, of URFC's zoals ze worden genoemd, staat al jaren in het vizier van onderzoekers.

Maar om echt efficiënt te zijn, een URFC heeft bifunctionele katalysatoren nodig. Dit betekent, in elektrolysemodus, katalysatoren moeten de afbraak van water in waterstof en zuurstof vergemakkelijken, en, in brandstofcelmodus, vergemakkelijken hun recombinatie in water. Nutsvoorzieningen, werken in het lab van Vijay Ramani, de Roma B. &Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor, een team van onderzoekers heeft een uitstekende bifunctionele katalysator gevonden voor de zuurstofelektrode.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"In tegenstelling tot de waterstofelektrode, waarbij platina een effectieve bifunctionele katalysator is, het is zeer uitdagend om een ​​geschikte katalysator voor de zuurstofelektrode te identificeren vanwege de trage kinetiek van zuurstofreductie en zuurstofontwikkeling, " zei Pralay Gayen, momenteel werkzaam bij Intel, die een postdoctoraal onderzoeksmedewerker was in Ramani's laboratorium aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis en diende als de eerste auteur van het artikel.

Sulay Saha, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Ramani, en Gayen's onderzoek werd geleid door eerste principes - rekening houdend met de fundamentele eigenschappen van verschillende stoffen voordat hij naar het laboratorium ging om potentiële katalysatoren te testen.

Samen met voormalig niet-gegradueerde onderzoeker en co-auteur Xinquan Liu, het team identificeerde en ontwikkelde uiteindelijk Pt-Pyrochlore, een composiet van platina en een loodruthenaatpyrochloor, wat een hoge bifunctionaliteit opleverde.

De "bifunctionaliteitsindex" is een maatstaf voor het vermogen van de katalysator om zowel de voorwaartse als de achterwaartse richting van een reactie te vergemakkelijken. "We willen dat de index laag is, " zei Kritika Sharma, een doctoraat Bouwkunde student. "Nul, idealiter." Deze nieuwe katalysator heeft een bifunctionaliteitsindex van 0,56 volt - zeer laag in vergelijking met andere gerapporteerde katalysatoren. Bij gebruik in een door het laboratorium ontwikkeld URFC-apparaat, de katalysator maakte een energierendement (RTE) van 75% mogelijk - de hoogste gerapporteerde retourefficiëntie in dit type URFC.

Met zo'n hoge efficiëntie, de ontwikkelde URFC's zijn zeer geschikt voor toepassingen zoals duikboten, drones, ruimtevaartuigen en ruimtestations, evenals voor off-grid energieopslag.