Att ersätta din vardagliga bensinslukare med en vätgasdriven bil kan drastiskt minska ditt koldioxidavtryck. Så varför gör vi inte alla byten?

En av anledningarna till att vi inte gör det är den dyra platinakatalysatorn som krävs för att driva vätebränsleceller effektivt.

Forskning ledd av Sandia National Laboratories och University of California, Merced syftade till att få ner kostnaderna för vätebränsleceller använde en smutsbillig förening för att skapa en ojämn yta som liknar en växts löv. Det extra området hjälper till att katalysera väte nästan lika effektivt som platina.

Ledande forskare Stanley Chou, en materialforskare från Sandia, och UC Merceds Vincent Tung har ansökt om ett gemensamt patent för spraytryckprocessen, som använder billig molybdendisulfid. Den ökade ytan på det porlande "bladet" skapar tre gånger så många katalytiska kontaktpunkter som andra molybdendisulfidstrukturer, och den nya skapelsen kan hantera högre temperaturer än platina utan att sintra och skumma upp cellen.

Arbetet är en del av ett försök att billigare driva vätgasdrivna bilar, önskvärda eftersom de avger vatten snarare än kolmonoxid eller koldioxid.

Naturen som allierad

Produktionsmetoden använder naturen som en allierad snarare än ett hinder, sa Chou. "I traditionellt tänkande, krafter som gravitation, viskositet och ytspänning måste övervinnas för att uppnå de tillverkade former du önskar. Vi trodde, istället för att se dessa krafter som begränsningar, varför inte använda dem för att göra något användbart? Så, vi gjorde."

Tung sa att metoden använder naturliga processer för att producera material för extremt billiga bränslecellsterminaler för att frigöra väte. "Tryckningsprocessen möjliggör också fortsatt deponering, med förmågan att skala för industrin, " han sa.

Teamet blandade molybdendisulfid med vatten och använde tryckprocessen för att driva ut mikronstora droppar i ett slutet område cirka 2 fot högt. När de tappade, dropparna separerades först i nanoskopiska subenheter. Dessa torkade ytterligare när de föll, deras krympande volym ger en ojämn 3D-yta ungefär som växternas löv, med små åsar, kullar, kanaler, grottor och tunnlar. Landar på ett underlag och på varandra, "löven" var fortfarande tillräckligt fuktiga för att bindas som om de fästs vid kritiska punkter av små droppar lim. Således, nanostrukturerna förlorade inte sin individualitet utan istället, genom att behålla sin identitet, skapade små tunnlar inom och mellan dem som tillät extraordinär tillgång för väteatomer att söka sin frihet från kemiska bindningar.

Inspirationen till att skapa en bioinspirerad 3D-form uppstod från att studera nagelbandsvikningsprocessen, en mekanism som används av växter för att kontrollera diffusion och permeabilitet på bladytor, sa Chou.

"Vi ser vår katalysator som ett oorganiskt material som fungerar som en växt. Nanostrukturerna, som löv, har olika form, med små stigningar och fall, " sa han. "Strukturerna tar in ett externt material för att producera väte snarare än syre, och en dag kan drivas av solljus." Just nu, mycket lågspänningselektricitet gör jobbet.

Tvivel om styrkan hos strukturen som bildas på ett så överväldigande sätt, Tung berättade, var uppgjorda när en student på 170 pund omedvetet trampade på en av de första molybdendisulfid-katalysatorskapelserna när den av misstag föll i golvet. Några hundra nanometer tjock, den vilade på ett kvadratcentimeter stort kolsubstrat men var annars oskyddat. Elektromikroskopisk undersökning visade att den lilla strukturen var oskadad. "Löven" har också visat sig vara långvariga, fortsätta att producera väte i sex månader.

Verket är föremål för en teknisk artikel publicerad online i tidskriften Avancerade material .