Ny forskning tyder på att grafen – tillverkad på ett specifikt sätt – skulle kunna användas för att göra mer hållbara vätebränsleceller för bilar.

I studien, publiceras idag i tidskriften Nanoskala , forskare producerade grafen via en speciell, skalbar teknik och använde den för att utveckla vätebränslecellskatalysatorer. Forskargruppen, involverar forskare från Queen Mary University of London och University College London (UCL), visade att denna nya typ av grafenbaserad katalysator var mer hållbar än kommersiellt tillgängliga katalysatorer och matchade deras prestanda.

Vätebränsleceller omvandlar kemisk energi till elektrisk kraft genom att kombinera väte och syre med hjälp av katalysatorer. Eftersom den enda biprodukten av reaktionen är vatten, de ger en effektiv och miljövänlig kraftkälla.

Platina är den mest använda katalysatorn för dessa bränsleceller, men dess höga kostnad är ett stort problem för kommersialiseringen av vätebränsleceller. För att lösa detta problem, kommersiella katalysatorer tillverkas vanligtvis genom att dekorera små nanopartiklar av platina på ett billigare kolunderlag, materialets dåliga hållbarhet minskar emellertid livslängden avsevärt för nuvarande bränsleceller.

Tidigare forskning har föreslagit att grafen kan vara ett idealiskt stödmaterial för bränsleceller på grund av dess korrosionsbeständighet, hög yta och hög ledningsförmåga. Dock, grafenet som används i de flesta experiment hittills innehåller många defekter, vilket innebär att det förväntade förbättrade motståndet ännu inte har uppnåtts.

Tekniken som beskrivs i studien producerar högkvalitativ grafen dekorerad med platinananopartiklar i en enkärlssyntes. Denna process skulle kunna skalas upp för massproduktion, öppnar upp för användningen av grafenbaserade katalysatorer för utbredda energitillämpningar.

Professor Dan Brett, Professor i elektrokemiteknik vid UCL, sa:"Att tillfredsställa globala energikrav utan att skada miljön är en av de stora moderna utmaningarna. Vätgasbränsleceller kan ge renare energi och används redan i vissa bilar som ett alternativ till bensin eller diesel. en stor barriär för deras utbredda kommersialisering är förmågan för katalysatorer att motstå omfattande cykling som krävs för deras användning i energitillämpningar. Vi har visat att genom att använda grafen istället för det typiska amorfa kolet som stödmaterial kan vi skapa extremt hållbara katalysatorer."

Forskarna bekräftade hållbarheten hos den grafenbaserade katalysatorn med en typ av test baserad på de som rekommenderas av US Department of Energy (DoE), känd som accelererade stresstester. Accelererade stresstester stressar medvetet katalysatorn snabbt under många cykler på kort tid, gör det möjligt för forskare att bedöma stabiliteten hos nya material utan att behöva använda dem i en fungerande bränslecell under en period av månader eller år.

Med hjälp av dessa tester, forskarna visade att förlusten i aktivitet under samma testperiod var cirka 30 procent lägre i den nyutvecklade grafenbaserade katalysatorn, jämfört med kommersiella katalysatorer.

Gyen Ming Angel, Ph.D. student och huvudförfattare till studien, från UCL, sa:"DoE sätter tester och mål för bränslecells hållbarhet, med ett accelererat stresstest för att simulera normala driftförhållanden och ett för att simulera de höga spänningarna som uppstår vid uppstart och avstängning av bränslecellen. De flesta forskningsstudier i grafenutrymmet utvärderar endast med ett av de rekommenderade testerna. Dock, eftersom vi har högkvalitativ grafen i vårt material, vi har lyckats uppnå hög hållbarhet i både tester och under långa testperioder, vilket är viktigt för den framtida kommersialiseringen av dessa material. Vi ser fram emot att införliva vår nya katalysator i kommersiell teknologi och inse fördelarna med bränsleceller med längre livslängd."

Grafen är gjord av ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Trots sin relativt enkla struktur, grafen tros ha anmärkningsvärda egenskaper inklusive hög elektrisk ledningsförmåga, hög transparens och hög flexibilitet.

Dr Patrick Cullen, Lektor i förnybar energi från Queen Mary University of London, sa:"Under åren, det har varit mycket hype kring grafen och det stora antalet lovande tillämpningar för detta material. Dock, forskarvärlden väntar fortfarande på att dess fulla potential ska förverkligas, och detta har lett till viss negativitet kring detta föreslagna "undermaterial". Denna uppfattning underlättas inte av det faktum att många forskningsstudier om grafen använder defekta versioner av grafen. Vi hoppas att detta papper kan återställa tron ​​på grafen och visa att detta material har stor potential för att förbättra tekniken, som bränsleceller, nu och i framtiden."