Brandstofcellen, apparaten die elektriciteit kunnen produceren uit waterstof of andere brandstoffen zonder ze te verbranden, worden beschouwd als een veelbelovende nieuwe manier om alles van stroom te voorzien, van huizen en auto's tot draagbare apparaten zoals mobiele telefoons en laptops. Hun grote voordeel -- het vooruitzicht om de uitstoot van broeikasgassen en andere verontreinigende stoffen te elimineren -- weegt niet op tegen hun zeer hoge kosten, en onderzoekers hebben geprobeerd manieren te vinden om de apparaten goedkoper te maken.

Nutsvoorzieningen, een MIT-team onder leiding van universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering Yang Shao-Horn heeft een methode gevonden die belooft de efficiëntie van de elektroden in één type brandstofcel drastisch te verhogen, die als brandstof methanol gebruikt in plaats van waterstof en als veelbelovend wordt beschouwd als vervanging voor batterijen in draagbare elektronische apparaten. Omdat deze elektroden van platina zijn gemaakt, het verhogen van hun efficiëntie betekent dat er veel minder van het dure metaal nodig is om een ​​bepaalde hoeveelheid stroom te produceren.

De sleutel tot de verhoging van de efficiëntie, het team vond, is om de oppervlaktestructuur van het materiaal te veranderen. Door kleine traptreden naar het oppervlak te creëren in plaats van het glad te laten, het vermogen van de elektrode om oxidatie van de brandstof te katalyseren en zo elektrische stroom te produceren, werd in experimenten ongeveer verdubbeld, en de onderzoekers zijn van mening dat verdere ontwikkeling van deze oppervlaktestructuren zou kunnen leiden tot veel grotere stijgingen, meer elektrische stroom opleveren voor een bepaalde hoeveelheid platina.

Hun resultaten worden op 13 oktober gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society . De acht auteurs van de paper zijn onder meer afgestudeerde student chemische technologie Seung Woo Lee en postdoctoraal onderzoeker werktuigbouwkunde Shuo Chen, samen met Shao-Horn en andere onderzoekers van MIT, het Japan Instituut voor Wetenschap en Technologie, en Brookhaven National Laboratory.

"Een van onze onderzoeksfocussen is het ontwikkelen van actieve en stabiele katalysatoren, " Shao-Hoorn zegt, en dit nieuwe werk is een belangrijke stap in de richting van "uitvinden hoe de atomaire structuur van het oppervlak de activiteit van de katalysator kan verbeteren" in directe methanolbrandstofcellen.

Een controverse oplossen

In hun experimenten, het team gebruikte platina-nanodeeltjes die waren afgezet op het oppervlak van meerwandige koolstofnanobuizen. Lee zegt dat veel mensen hebben geëxperimenteerd met het gebruik van platina nanodeeltjes voor brandstofcellen, maar de resultaten van het effect van de deeltjesgrootte op de activiteit waren tot dusver tegenstrijdig en controversieel. "Sommige mensen zien de activiteit toenemen, sommige mensen zien een afname" in activiteit als de deeltjesgrootte afneemt. "Er is een controverse geweest over hoe grootte de activiteit beïnvloedt."

Het nieuwe werk laat zien dat de belangrijkste factor niet de grootte van de deeltjes is, maar de details van hun oppervlaktestructuur. "We tonen de details van oppervlaktestappen gepresenteerd op nanodeeltjes, en breng het aantal oppervlaktestappen in verband met de activiteit." zegt Chen. Door een oppervlak te maken met meerdere stappen erop, het team verdubbelde de activiteit van de elektrode, en de teamleden werken nu aan het creëren van oppervlakken met nog meer stappen om te proberen de activiteit verder te vergroten. theoretisch, ze zeggen, het moet mogelijk zijn om de activiteit met ordes van grootte te vergroten.

Shao-Horn suggereert dat de belangrijkste factor de toevoeging van de randen van de treden is, die een site lijken te bieden waar het voor atomen gemakkelijker is om nieuwe bindingen te vormen. De toevoeging van stappen creëert meer van die actieve sites. In aanvulling, het team heeft aangetoond dat de trapstructuren stabiel genoeg zijn om gedurende honderden cycli te worden onderhouden. Die stabiliteit is de sleutel tot het kunnen ontwikkelen van praktische en effectieve directe methanolbrandstofcellen.

Teamleden hopen ook te begrijpen of de stappen het andere deel van het proces dat in een brandstofcel plaatsvindt, versterken. In deze studie werd gekeken naar de verbetering van oxidatie, maar de andere kant van een brandstofcel ondergaat zuurstofreductie. Verhoogt de toevoeging van trappen aan het oppervlak ook de zuurstofreductie? "We moeten uitzoeken waarom het zo is, of waarom niet, ', zegt Shao-Horn. De onderzoekers verwachten de komende maanden antwoord op die vraag te hebben.

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology (nieuws:web)