Om moderne brandstofcellen goedkoper en krachtiger te maken, een team onder leiding van scheikundig ingenieurs van Johns Hopkins heeft zich laten inspireren door de oude Egyptische traditie van vergulden.

Egyptische kunstenaars ten tijde van koning Toetanchamon bedekten vaak goedkopere metalen (koper, bijvoorbeeld) met een dun laagje glanzend edelmetaal zoals goud om extravagante maskers en sieraden te maken. In een moderne twist, de door Johns Hopkins geleide onderzoekers hebben een minuscule laag kostbaar platina aangebracht van slechts één nanometer dik - 100, 000 keer dunner dan een mensenhaar - tot een kern van veel goedkoper kobalt. Dit microscopische huwelijk zou een cruciale katalysator kunnen worden in nieuwe brandstofcellen die elektrische stroom opwekken om auto's en andere machines aan te drijven.

Het nieuwe brandstofcelontwerp zou geld besparen omdat er veel minder platina nodig zou zijn, een zeer zeldzaam en duur metaal dat veel wordt gebruikt als katalysator in de huidige elektrische auto's met brandstofcellen. De onderzoekers, die hun werk eerder dit jaar publiceerden in Nano-letters , zeggen dat door elektrische auto's betaalbaarder te maken, deze innovatie zou de uitstoot van kooldioxide en andere verontreinigende stoffen door benzine- of dieselvoertuigen kunnen terugdringen.

"Deze techniek zou onze lancering uit het tijdperk van fossiele brandstoffen kunnen versnellen, " zei Chao Wang, een Johns Hopkins-assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en senior auteur van de studie. "Het zal niet alleen de kosten van brandstofcellen verlagen, het zal ook de energie-efficiëntie en vermogensprestaties van schone elektrische voertuigen op waterstof verbeteren."

In hun tijdschriftartikel de auteurs gaven hun hoed aan de oude Egyptische ambachtslieden die een vergelijkbare platingtechniek gebruikten om koperen maskers en andere metalen kunstwerken een glanzende laatste laag zilver of goud te geven. "Het idee, "Wang zei, "is om een ​​klein beetje van de kostbare schat bovenop de goedkope spullen te leggen."

Hij wees erop dat platina, vaak gebruikt in sieraden, is ook een cruciaal materiaal in de moderne industrie. Het katalyseert essentiële reacties in activiteiten zoals de verwerking van aardolie, petrochemische synthese, en emissiebeheersing in voertuigen met verbrandingsmotor, en wordt gebruikt in brandstofcellen. Maar, hij zei, Door de hoge kosten en beperkte beschikbaarheid van platina is het gebruik ervan in technologieën voor schone energie grotendeels onpraktisch geworden - tot nu toe.

"Er is veel meer kobalt dan platina, " zei hoofdauteur en Johns Hopkins postdoctoraal fellow Lei Wang, die geen familie is van Chao Wang. "We hebben de voordelen van platina aanzienlijk kunnen vergroten door het over kobalt te coaten, en we zijn er zelfs in geslaagd om tegelijkertijd de activiteit van platina te vergroten."

Eerdere pogingen om edele metalen op niet-edele materialen te plateren werden grotendeels gedwarsboomd door galvanische vervangingsreacties - oxidatie van het niet-edele metaal. In dit onderzoek, het team onderdrukte dergelijke reacties met succes door koolmonoxide te introduceren, een gasmolecuul dat sterk bindt aan kobalt, beschermen tegen oxidatie.

Niet alleen verminderden de kobalt-platina nanodeeltjes het gebruik van platina; ze presteerden bijna 10 keer beter dan alleen platina. De onderzoekers zeiden dat deze verhoogde katalytische activiteit het gevolg was van zowel de maximale blootstelling van platina-atomen op het oppervlak als van interacties tussen de twee metalen.

"Het intieme contact tussen kobalt en platina geeft aanleiding tot compressieve spanning, "Zei Lei Wang. "Het verkort de afstand tussen platina-atomen en maakt de chemische reacties beter uitvoerbaar op het oppervlak."

Omdat platina en andere zeldzame metalen een sleutelrol spelen in veel industriële toepassingen, de implicaties van dit werk reiken verder dan brandstofcellen. Momenteel, het team werkt aan het aanpassen van hun techniek aan andere edele metalen en niet-edele substraten. Nieuwe ontwikkelingen zullen gericht zijn op verdere toepassingen van dergelijke materialen bij chemische omzettingen van koolwaterstoffen.

"Veel reacties die afhankelijk zijn van edelmetaalkatalysatoren kunnen goedkoper en effectiever worden gemaakt door gebruik te maken van onze technologie, " Chao Wang zei. "In een tijd waarin we ons pijnlijk bewust worden van de grenzen van onze niet-hernieuwbare bronnen van energie en materialen, deze techniek wijst ons in een zeer welkome nieuwe richting."