Hoe belangrijk de verbrandingsmotor ook is geweest voor maatschappelijke vooruitgang, het is ook een belangrijke oorzaak van vervuiling die schadelijk is voor de menselijke gezondheid en koolstofemissies die bijdragen aan de klimaatcrisis. Bijna 30% van de CO2-uitstoot in de VS is afkomstig van transport en 95% van het transport maakt gebruik van fossiele brandstoffen.

Een mogelijke oplossing zou zijn om voertuigen aan te drijven met waterstofbrandstofcellen, die alleen waterdamp uitstoten. Deze duurzaamheidsoplossing heeft echter een ironisch, ingebouwd aspect dat niet duurzaam is:de katalysatoren die nodig zijn om energie uit waterstof te halen, zijn zeldzame en dure metalen zoals platina. In hoeveelheden die worden gebruikt voor de technologie van vandaag, zou een wijdverbreide acceptatie hoeveelheden van deze metalen vereisen die groter zijn dan wat de mensheid kan verkrijgen.

Een recent onderzoek in Nature Nanotechnology onder leiding van een UCLA-professor kan een keerpunt betekenen. De onderzoekers rapporteerden over een aanpak die hen in staat stelde om ambitieuze doelen voor hoge katalysatorprestaties, hoge stabiliteit en laag gebruik van platina die door het ministerie van Energie waren vastgesteld, te halen en te verslaan. Hun recordbrekende technologie maakte gebruik van minuscule kristallen van een platina-kobaltlegering, elk ingebed in een nanopocket gemaakt van grafeen, beschreven als een tweedimensionaal materiaal omdat het een laag koolstof van één atoom dik omvat.

Vergeleken met de strenge DOE-normen voor katalysatoren - waaraan tot nu toe niet werd voldaan - leverde de in grafeen gewikkelde legering van de auteurs buitengewone resultaten op:

• 75 keer meer katalytische activiteit
• 65% meer vermogen
• ongeveer 20% meer katalytische activiteit aan het verwachte einde van de levensduur van de brandstofcel
• ongeveer 35% minder stroomverlies na testen die 6.000 tot 7.000 uur gebruik simuleert, waarmee voor het eerst de doelstelling van 5.000 uur wordt overtroffen
• bijna 40% minder platina per voertuig

"Dit is nog nooit eerder gedaan", zegt de corresponderende auteur Yu Huang, professor en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering, en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Deze ontdekking bracht wat serendipiteit met zich mee. We wisten dat we op weg waren naar iets dat kleinere deeltjes stabiel zou kunnen maken, maar we hadden niet verwacht dat het zo goed zou werken."

Tegenwoordig wordt de helft van het totale wereldwijde aanbod van platina en soortgelijke metalen gebruikt voor katalysatoren in voertuigen die worden aangedreven door fossiele brandstoffen, een onderdeel dat hun uitstoot minder schadelijk maakt. Per voertuig is ergens tussen de 2 en 8 gram platina nodig. Ter vergelijking:de huidige waterstof-brandstofceltechnologie verbruikt ongeveer 36 gram per voertuig.

Bij de laagste lading platina die door Huang en haar team is getest, zou elk voertuig op waterstof slechts 6,8 gram platina nodig hebben.

Dus hoe haalden de onderzoekers meer kracht uit minder platina? Ze braken de op platina gebaseerde katalysator op in deeltjes van gemiddeld 3 nanometer lang. Een nanometer is een miljardste van een meter, en de nanodeeltjes waren zo klein dat er meer dan 30.000 end-to-end zouden zijn om de dikte van een enkel vel papier te overspannen. Kleinere deeltjes betekenen meer oppervlakte, en meer oppervlakte betekent meer onroerend goed waar katalytische activiteit kan plaatsvinden.

Er is echter een addertje onder het gras dat eerdere pogingen om betere prestaties te krijgen door klein te gaan met waterstofbrandstofcelkatalysatoren heeft gedwarsboomd. Op zichzelf zijn kleinere deeltjes ook veel minder duurzaam, omdat ze de neiging hebben om van een oppervlak af te trekken of samen te klonteren tot grotere deeltjes.

Huang en haar collega's hebben deze beperking aangepakt door hun katalysatordeeltjes te bewapenen in het 2D-materiaal grafeen. Vergeleken met bulkkoolstof zoals gewoonlijk in steenkool of potloodlood, hebben zulke dunne lagen koolstof verrassende capaciteiten, geleiden ze elektriciteit en warmte efficiënt en vertonen ze een sterkte die 100 keer zo sterk is als die van staal bij vergelijkbare dikte.

Hun platina-kobaltlegering werd gereduceerd tot deeltjes. Voordat ze in een brandstofcel werden geïntegreerd, waren de deeltjes omgeven door grafeen nanopockets, die als een soort anker fungeerden om te voorkomen dat de deeltjes migreren - noodzakelijk voor het duurzaamheidsniveau dat nodig is in bedrijfsvoertuigen. Tegelijkertijd zorgde het grafeen voor een kleine opening van ongeveer 1 nanometer rond elk katalysatornanodeeltje, wat betekende dat belangrijke elektrochemische reacties konden plaatsvinden.

"Het is een beetje intuïtief," zei Huang. "Als je een dop op het deeltje plaatst waardoor de reactie kan doorgaan, maar het deeltje op die plaats opsluit, zal dit het duurzaamheidsprobleem oplossen, dat echter zeer uitdagend is om op zo'n kleine schaal te bereiken."

Deze nieuwste vooruitgang volgt op een recent gezamenlijk onderzoek onder leiding van Huang, dat een model opleverde voor het voorspellen van de katalytische activiteit en duurzaamheid van een op platina gebaseerde legering die kan worden gebruikt om het ontwerp van katalysatoren te sturen - de eerste in zijn soort. Zij en haar team werken eraan om hun experimentele resultaten te vertalen naar praktische technologie die op de markt kan worden gebracht en hopelijk kan bijdragen aan inspanningen op het gebied van groene energie en duurzaamheid. + Verder verkennen

Mogelijke stap naar goedkopere energie op basis van waterstof:prestatie van katalysatoren in brandstofcellen voorspellen