Brandstofcellen kunnen een schone en efficiënte manier zijn om auto's te laten rijden, computers, en elektriciteitscentrales, maar de productiekosten beperken het gebruik ervan. Dat komt omdat een belangrijk onderdeel van de meest voorkomende brandstofcellen een katalysator is die is gemaakt van het edelmetaal platina.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Klein , onderzoekers van de Universiteit van Californië, rivieroever, beschrijf de ontwikkeling van een goedkope, efficiënt katalysatormateriaal voor een type brandstofcel dat een polymere elektrolytmembraanbrandstofcel (PEMFC) wordt genoemd, die de chemische energie van waterstof omzet in elektriciteit en een van de meest veelbelovende brandstofceltypes is voor auto's en elektronica.

De bij UCR ontwikkelde katalysator is gemaakt van poreuze koolstofnanovezels ingebed met een verbinding gemaakt van een relatief overvloedig metaal zoals kobalt, wat meer dan 100 keer goedkoper is dan platina. Het onderzoek werd geleid door David Kisailus, de Winston Chung bijzonder hoogleraar energie-innovatie aan het Marlan en Rosemary Bourns College of Engineering van UCR.

Brandstofcellen, die al door sommige autofabrikanten worden gebruikt, voordelen bieden ten opzichte van conventionele verbrandingstechnologieën, inclusief hogere efficiëntie, stillere werking en lagere emissies. Waterstofbrandstofcellen stoten alleen water uit.

Zoals batterijen, brandstofcellen zijn elektrochemische apparaten die bestaan ​​uit een positieve en negatieve elektrode met een elektrolyt. Wanneer een waterstofbrandstof op de anode wordt geïnjecteerd, een katalysator scheidt de waterstofmoleculen in positief geladen deeltjes die protonen worden genoemd en negatief geladen deeltjes die elektronen worden genoemd. De elektronen worden door een extern circuit geleid, waar ze nuttig werk doen, zoals het aandrijven van een elektromotor, alvorens de positief geladen waterstofionen en zuurstof weer samen te voegen tot water.

Een kritieke barrière voor de acceptatie van brandstofcellen zijn de kosten van platina, waardoor de ontwikkeling van alternatieve katalysatormaterialen een belangrijke drijfveer wordt voor hun massale implementatie.

Met behulp van een techniek genaamd elektrospinnen, de UCR-onderzoekers maakten flinterdunne vellen koolstofnanovezels die metaalionen bevatten - ofwel kobalt, ijzer of nikkel. Bij verwarming, de ionen vormden ultrafijne metalen nanodeeltjes die de transformatie van koolstof in een hoogwaardige grafietkoolstof katalyseerden. Vervolgens, de metalen nanodeeltjes en resterende niet-grafische koolstof werden geoxideerd, wat leidt tot een zeer poreus en bruikbaar netwerk van metaaloxide-nanodeeltjes verspreid in een poreus netwerk van grafiet.

Kisailus en zijn team, in samenwerking met wetenschappers van Stanford University, vastgesteld dat de nieuwe materialen net zo goed presteerden als de industriestandaard platina-koolstofsystemen, maar voor een fractie van de prijs.

"De sleutel tot de hoge prestaties van de materialen die we hebben gemaakt, is de combinatie van de chemie en vezelverwerkingsomstandigheden, " zei Kisailus. "De opmerkelijke elektrochemische eigenschappen werden voornamelijk toegeschreven aan de synergetische effecten die werden verkregen door de engineering van het metaaloxide met blootgestelde actieve plaatsen en de 3D hiërarchische poreuze grafitische structuur."

Kisailus zei dat een bijkomend voordeel van het katalytische nanocomposiet was dat de aard van grafietvezels extra sterkte en duurzaamheid bood, waardoor het zou kunnen dienen als zowel een brandstofcelkatalysator als mogelijk als een structureel onderdeel.

"Een belangrijke uitdaging bij het maken van high-performance voertuigen is het verminderen van het gewicht, zowel van de carrosserie van het voertuig als extra gewicht van de batterij of brandstofcel, zonder de veiligheid of prestaties aan te tasten, " zei hij. "Het materiaal dat we hebben gemaakt, kan autofabrikanten in staat stellen structurele componenten te draaien, zoals de motorkap of het chassis, in functionele elementen die helpen bij het aandrijven van auto's."