Brandstofcellen worden aangeprezen als een schonere oplossing voor de energiebehoeften van morgen, met potentiële toepassingen in alles, van auto's tot computers.

Maar een van de redenen waarom brandstofcellen nog niet wijdverbreid zijn, is hun gebrek aan uithoudingsvermogen. Overuren, de katalysatoren die zelfs in de moderne brandstofcellen van tegenwoordig worden gebruikt, gaan kapot, remming van de chemische reactie die brandstof omzet in elektriciteit. In aanvulling, de huidige technologie is gebaseerd op kleine deeltjes die zijn gecoat met de katalysator; echter, het beperkte oppervlak van de deeltjes betekent dat op elk moment slechts een fractie van de katalysator beschikbaar is.

Nu heeft een team van ingenieurs van de Yale School of Engineering &Applied Science een nieuw brandstofcelkatalysatorsysteem gemaakt met behulp van nanodraden gemaakt van een nieuw materiaal dat de prestaties op lange termijn 2,4 keer verbetert in vergelijking met de huidige technologie. Hun bevindingen verschijnen op de omslag van het aprilnummer van ACS Nano .

Yale-ingenieurs Jan Schroers en André Taylor hebben minuscule nanodraden ontwikkeld die zijn gemaakt van een innovatieve metaallegering die bekend staat als bulk metallic glas (BMG) met grote oppervlakten, waardoor meer van de katalysator wordt blootgelegd. Ze behouden ook hun activiteit langer dan traditionele brandstofcelkatalysatorsystemen.

De huidige brandstofceltechnologie maakt gebruik van carbon black, een goedkoop en elektrisch geleidend koolstofmateriaal, als drager voor platinadeeltjes. De koolstof transporteert elektriciteit, terwijl het platina de katalysator is die de productie van elektriciteit aandrijft. Hoe meer platinadeeltjes de brandstof wordt blootgesteld, hoe meer elektriciteit er wordt geproduceerd. Toch is roet poreus, zodat het platina in de binnenste poriën mogelijk niet wordt blootgesteld. Carbon black heeft ook de neiging om na verloop van tijd te corroderen.

"Om efficiëntere brandstofcellen te produceren, u het actieve oppervlak van de katalysator wilt vergroten, en je wilt dat je katalysator lang meegaat, ' zei Taylor.

Op een schaal van 13 nanometer (ongeveer 1/10, 000 de breedte van een mensenhaar), de BMG-nanodraden die Schroers en Taylor ontwikkelden, zijn ongeveer drie keer kleiner dan roetdeeltjes. De lange, dunne vorm geeft ze een veel actievere oppervlakte per massa in vergelijking met carbon black. In aanvulling, in plaats van platinadeeltjes op een dragermateriaal te plakken, het Yale-team verwerkte het platina in de nanodraadlegering zelf, ervoor te zorgen dat het na verloop van tijd blijft reageren met de brandstof.

Het is de unieke chemische samenstelling van de nanodraden die het mogelijk maakt om ze tot zulke kleine staafjes te vormen met behulp van een hete persmethode, zei Schroers, die andere BMG-legeringen heeft ontwikkeld die ook tot gecompliceerde vormen kunnen worden geblazen. De BMG-nanodraden geleiden elektriciteit ook beter dan koolstofzwart en koolstofnanobuisjes, en zijn minder duur om te verwerken.

Tot dusver heeft Taylor hun katalysatorsysteem getest voor brandstofcellen op alcoholbasis (inclusief diegene die ethanol en methanol als brandstofbronnen gebruiken), maar ze zeggen dat het systeem zou kunnen worden gebruikt in andere soorten brandstofcellen en ooit zou kunnen worden gebruikt in draagbare elektronische apparaten zoals laptops en mobiele telefoons, evenals in sensoren op afstand.

"Dit is de introductie van een nieuwe klasse materialen die kunnen worden gebruikt als elektrokatalysatoren, Taylor zei. "Het is een echte stap in de richting van het commercieel levensvatbaar maken van brandstofcellen en, uiteindelijk, het aanvullen of vervangen van batterijen in elektronische apparaten."