Wetenschap
Ontdekking van organische katalysator zou kunnen leiden tot goedkopere brandstofcellen
Nu de CO2-uitstoot in de atmosfeer recordhoogten bereikt, wordt de zoektocht naar schone energie-alternatieven voor het gebruik van fossiele brandstoffen steeds urgenter.
Eén obstakel waarmee onderzoekers worden geconfronteerd, is dat de huidige brandstofceltechnologie afhankelijk is van het gebruik van dure metaalkatalysatoren zoals platina om waterstof in energie om te zetten; Een team van het College en de Graduate School of Arts &Sciences van de Universiteit van Virginia heeft echter een organisch molecuul geïdentificeerd dat een effectief en goedkoper alternatief zou kunnen zijn voor conventionele metaalkatalysatoren.
De brandstofcellen die elektrische voertuigen en industriële en residentiële generatoren mogelijk maken en die nodig zijn om energie op te slaan die wordt gegenereerd door wind of zon, gebruiken metalen zoals platina om de chemische reactie op gang te brengen die brandstofbronnen zoals waterstofgas splitst in protonen en elektronen die vervolgens worden benut. als elektriciteit.
Tot nu toe werden organische vervangers voor katalysatoren van zeldzame metalen niet als praktisch beschouwd, omdat het katalyseproces ervoor zorgt dat ze uiteenvallen in onderdelen die niet langer bruikbaar zijn. In een artikel gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society Echter, universitair hoofddocenten scheikunde Charles Machan en Michael Hilinski, samen met Ph.D. studenten Emma Cook en Anna Davis identificeren een organisch molecuul bestaande uit koolstof, waterstof, stikstof en fluor dat het potentieel heeft om een praktisch alternatief te zijn.
Het molecuul kan niet alleen de reductie van zuurstof initiëren – de reactie die plaatsvindt in de brandstofcel – zei Machan; het kan blijven reageren met de producten van de reactie en vervolgens terugkeren naar de oorspronkelijke staat.
"Deze moleculen zijn stabiel onder omstandigheden waarin de meeste moleculen worden afgebroken, en ze blijven een activiteit bereiken die overeenkomt met het niveau van overgangsmetaalkatalysatoren", aldus Machan.
De bevinding vormt een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar efficiënte brandstofcellen die materialen gebruiken die duurzamer en goedkoper zijn om te produceren en zou binnen de komende vijf tot tien jaar kunnen resulteren in de ontwikkeling van de volgende generatie brandstofcellen. bevindingen zijn nog maar het begin.
"Dit molecuul zelf zal misschien niet in een brandstofcel terechtkomen", zei Machan. "Wat deze bevinding zegt is dat er op koolstof gebaseerde katalytische materialen kunnen zijn, en als je die met bepaalde chemische groepen modificeert, kun je hopen ze om te zetten in geweldige katalysatoren voor de zuurstofreductiereactie. Het uiteindelijke doel is om de eigenschappen te integreren die maak dit molecuul zo stabiel tot een bulkmateriaal om het gebruik van platina te vervangen."
Hilinski, wiens onderzoeksgroep zich richt op de organische chemie, benadrukte het belang van het interdisciplinaire karakter van het onderzoeksteam. "Dit molecuul dat we als katalysator gebruiken heeft een geschiedenis in mijn laboratorium, maar we hebben altijd onderzoek gedaan naar het gebruik ervan in chemische reacties die worden uitgevoerd op veel grotere, koolstofhoudende moleculen, zoals de actieve ingrediënten in medicijnen," zei Hilinski.
"Zonder de expertise van Charlie Machan denk ik niet dat we de link met de brandstofcelchemie zouden hebben gelegd."
De ontdekking zou ook gevolgen kunnen hebben voor de industriële productie van waterstofperoxide, een huishoudelijk product dat ook wordt gebruikt bij de productie van papier en de behandeling van afvalwater.
"Het proces om waterstofperoxide te maken is milieuonvriendelijk en zeer energie-intensief", aldus Machan. "Het vereist stoomreforming van methaan bij hoge temperatuur om de waterstof vrij te maken die wordt gebruikt om het te genereren."
De bevindingen van zijn team zouden ook de katalytische component van dat proces kunnen verbeteren, wat positieve gevolgen zou kunnen hebben voor zowel de industrie en het milieu als voor de waterzuiveringstechnologie.
Hilinski wees er ook op dat de ontdekking en de samenwerking die daartoe leidde gevolgen kunnen hebben die veel verder reiken dan energieopslag. "Het grote plaatje, een van de meest opwindende dingen van dit onderzoek is dat we door de katalysator te elektrificeren de manier hebben veranderd waarop deze reageert. Dit is iets onverwachts dat ook nuttig zou kunnen zijn voor de synthese van medicijnen, iets waar mijn onderzoeksgroep graag naar kijkt." verkennen."
Machan, wiens onderzoeksgroep zich richt op moleculaire elektrochemie, dankt ook het interdisciplinaire karakter van het onderzoeksteam voor de ontdekking.
"Zonder de knowhow van de groep van Mike Hilinski in het maken van stabiele organische moleculen die het soort reacties kunnen ondergaan dat nodig is, zou het werk niet mogelijk zijn geweest. Dit unieke, organische molecuul heeft ons in staat gesteld iets te doen dat normaal gesproken alleen overgangsmetalen kunnen doen," zei Machan.