Het wereldwijde energieverbruik versnelt in een alarmerend tempo. Er zijn drie hoofdoorzaken:snelle economische expansie, bevolkingsgroei, en een grotere afhankelijkheid van op energie gebaseerde apparaten over de hele wereld.

Onze stijgende vraag naar energie en de milieu-impact van traditionele brandstoffen vormen een serieuze uitdaging voor de menselijke gezondheid, energieveiligheid, en milieubescherming. Naar schatting zal de wereld haar energievoorziening tegen 2050 moeten verdubbelen en het is van cruciaal belang dat we nieuwe soorten energie ontwikkelen om deze uitdaging aan te gaan.

Brandstofcellen gebruiken meestal dure platina-elektroden, maar een niet-metalen alternatief zou een betaalbare oplossing kunnen zijn voor energiezekerheid. Brandstofcellen wekken elektriciteit op door brandstof te oxideren tot water, zorgen voor schone en duurzame stroom.

Waterstof kan als brandstof worden gebruikt. Eerst, waterstof wordt gesplitst in zijn samenstellende elektronen en protonen. Dan genereert de stroom van elektronen elektrische stroom, voordat de elektronen en protonen samenkomen met gereduceerde zuurstof, waarbij water het enige bijproduct is.

Deze technologie heeft een hoge energieomzettingsefficiëntie, veroorzaakt vrijwel geen vervuiling, en heeft de potentie voor grootschalig gebruik. Echter, de vitale reactie die verminderde zuurstof in brandstofcellen genereert, vereist een katalysator - traditioneel een platina-elektrode. Helaas, de hoge kosten en beperkte middelen hebben van deze edelmetaalkatalysator de primaire barrière gemaakt voor brandstofcellen op de massamarkt.

Sinds de ontwikkeling van brandstofcellen met platina voor de Apollo-maanmissie in de jaren zestig, onderzoekers hebben katalysatoren ontwikkeld die zijn gemaakt van legeringen die platina bevatten naast goedkopere metalen. Deze legeringskatalysatoren hebben een lager platinagehalte, toch vereist commerciële massaproductie nog steeds grote hoeveelheden platina. Om van brandstofcellen een levensvatbare grootschalige energieoptie te maken, we hebben andere efficiënte, goedkoop, en stabiele elektroden.

We hebben eerder een nieuwe klasse goedkope metaalvrije katalysatoren ontdekt op basis van koolstofnanobuisjes met toegevoegde stikstof, die beter presteerde dan platina in basisbrandstofcellen. De verbeterde katalytische prestaties kunnen worden toegeschreven aan het elektronenaccepterende vermogen van de stikstofatomen, die de zuurstofreductiereactie bevordert. Deze op koolstof gebaseerde, metaalvrije katalysatoren zouden de kosten voor het op de markt brengen van brandstofceltechnologie drastisch kunnen verlagen. Helaas, ze blijken vaak minder effectief te zijn in zure omstandigheden - de typische omstandigheden in reguliere brandstofcellen.

Het gebruik van koolstofcomposieten met een poreuze structuur om het oppervlak te vergroten en nanobuisjes om de geleidbaarheid te verbeteren, ons laatste onderzoek toont aan dat onze nanomaterialen in staat zijn om zuurstofreductie even efficiënt te katalyseren als de state-of-the-art niet-edelmetaalkatalysatoren - en met een langere stabiliteit. Deze eerste succesvolle poging om op koolstof gebaseerde metaalvrije katalysatoren in zure brandstofcellen te gebruiken, zou de commercialisering van betaalbare en duurzame brandstofcellen kunnen vergemakkelijken.

Naast brandstofcellen, deze nieuwe metaalvrije koolstof-nanomateriaalkatalysatoren zijn ook efficiënte elektroden voor goedkope zonnecellen, supercondensatoren voor energieopslag, en watersplitsingssystemen die brandstof uit water genereren. Het wijdverbreide gebruik van op koolstof gebaseerde metaalvrije katalysatoren zal daarom leiden tot een lager brandstofverbruik, een daling van de uitstoot van schadelijke stoffen, en een verminderde afhankelijkheid van aardoliebronnen. Dit kan het leven in de nabije toekomst drastisch beïnvloeden.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).