Het elektrische voertuig Toyota Mirai uit 2019 heeft geen uitstoot, dankzij een brandstofcel die op waterstof loopt in plaats van op benzine. Maar de Mirai heeft Californië amper verlaten, deels omdat de brandstofcelelektroden van tegenwoordig gemaakt zijn van superduur platina.

Minder platina zou ook kosten besparen, waardoor er meer elektrische auto's op de markt komen.

Een nieuwe methode leent wat denkwerk van "Goldilocks" - precies de juiste hoeveelheid - om te evalueren hoeveel metaal nodig is voor brandstofcelelektroden. De techniek gebruikt de krachten op het metaaloppervlak om de ideale elektrodedikte te bepalen.

"Er is precies de juiste hoeveelheid metaal die brandstofcelelektroden de beste eigenschappen zal geven, " zei Jeffrey Greeley, hoogleraar chemische technologie aan de Purdue. "Als ze te dik of te dun zijn, de belangrijkste reactie voor het inzetten van een brandstofcel werkt niet zo goed, dus er is hier een soort Goudlokje-principe."

De studie, om te worden gepubliceerd in het nummer van 22 februari van het tijdschrift Wetenschap , was een samenwerking tussen de Johns Hopkins University, Purdue University en de University of California in Irvine.

De onderzoekers testten hun theorie op palladium, een metaal dat erg lijkt op platina.

"We gebruiken in wezen kracht om de eigenschappen af ​​te stemmen van dunne metalen platen waaruit elektrokatalysatoren bestaan, die deel uitmaken van de elektroden van brandstofcellen, " zei Greeley. "Het uiteindelijke doel is om deze methode op een verscheidenheid aan metalen te testen."

Brandstofcellen zetten waterstof om, gecombineerd met wat zuurstof, omgezet in elektriciteit via een zogenaamde zuurstofreductiereactie die een elektrokatalysator in gang zet. Het vinden van precies de juiste dikte benadrukt het oppervlak van de elektrokatalysator en verbetert hoe goed deze deze reactie uitvoert.

Onderzoekers hebben in het verleden geprobeerd om krachten van buitenaf te gebruiken om het oppervlak van een elektrokatalysator uit te zetten of samen te drukken. maar daardoor liep het risico de elektrokatalysator minder stabiel te maken.

In plaats daarvan, Greeley's groep voorspelde door middel van computersimulaties dat de inherente kracht op het oppervlak van een elektrokatalysator van palladium kan worden gemanipuleerd voor de best mogelijke eigenschappen.

Volgens de simulaties een elektrokatalysator van vijf lagen dik, elke laag zo dun als een atoom, zou voldoende zijn om de prestaties te optimaliseren.

"Vecht niet tegen krachten, gebruik ze, " zei Zhenhua Zeng, een Purdue postdoctoraal onderzoeker in de chemische technologie, en co-eerste en co-corresponderende auteur op dit artikel. "Dit is vergelijkbaar met hoe sommige structuren in de architectuur geen externe balken of kolommen nodig hebben, omdat trek- en drukkrachten worden verdeeld en uitgebalanceerd."

Experimenten in het laboratorium van Chao Wang in Johns Hopkins bevestigden de simulatievoorspellingen, vinden dat de methode de activiteit van de katalysator 10 tot 50 keer kan verhogen, 90 procent minder van het metaal gebruiken dan wat momenteel wordt gebruikt in brandstofcelelektroden.

Dit komt omdat de oppervlaktekracht op de atomair dunne elektroden de spanning afstemt, of afstand tussen atomen, van de metalen platen, hun katalytische eigenschappen veranderen.

"Door de dikte van het materiaal af te stemmen, we waren in staat om meer spanning te creëren. Dit betekent dat u meer vrijheid heeft om de gewenste reactie op het materiaaloppervlak te versnellen, ' zei Wang.