Drivs rent, effektiva bilar är bara ett sätt bränslecellsteknologi kan påskynda mänskligheten till en hållbar energiframtid, men tyvärr, tekniken har varit lite trög. Nu, ingenjörer kan kanske väsentligen turboladda bränsleceller med en ny katalysator.

Trögheten kommer från en kemisk flaskhals, hastigheten för bearbetning av syre, en viktig ingrediens som hjälper bränsleceller, som är relaterade till batterier, producera el. Den nya katalysatorn, ett nanoteknologimaterial utvecklat av ingenjörer vid Georgia Institute of Technology, påskyndar syrebehandlingen markant och är föremål för en ny studie.

Dels för att tillgodose syrgas begränsningar, bränsleceller kräver vanligtvis rent vätebränsle, som reagerar med syret som tas in från luften, men kostnaderna för att producera vätet har varit oöverkomliga. Den nya katalysatorn är en potentiell spelväxlare.

"Det kan enkelt omvandla kemiskt bränsle till elektricitet med hög effektivitet, "sa Meilin Liu, som ledde studien och är professor i regenter vid Georgia Tech's School of Material Science and Engineering. "Det kan låta dig använda lättillgängliga bränslen som metan eller naturgas eller bara använda vätebränsle mycket mer effektivt, "Sa Liu.

Katalysator 8 gånger så snabbt

Katalysatorn uppnår effektiviteten genom att rusa syre genom en bränslecells system. "Det är mer än åtta gånger så snabbt som toppmoderna material som gör samma sak nu, "sa Yu Chen, en postdoktoral forskningsassistent i Lius laboratorium och studiens första författare.

Det finns några typer av bränsleceller, men forskarna arbetade med att förbättra fastoxidbränsleceller, som finns i några prototypiska bränslecellbilar. Forskningsinsikten kan också hjälpa till att finslipa superkondensatorer och teknik i kombination med solpaneler, på så sätt främjar hållbar energi bortom den nya katalysatorns omedelbara potential att förbättra bränsleceller.

Liu och Chen publicerade sin studie i marsnumret av tidskriften Joule . Deras forskning finansierades av U.S. Department of Energy och av Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Program. Bränslecellsarbetet från Lius laboratorium har redan väckt stort intresse för energiindustrin och bilindustrin.

Naturligtvis trög syre

Även om de fungerar annorlunda än bränsleceller och är mycket mindre effektiva och rena, förbränningsmotorer gör en användbar metafor för att förstå hur bränsleceller och den nya katalysatorn fungerar.

I en förbränningsmotor, bränsle från en tank och syre från luften samlas för att reagera i en explosion, producerar energi som vrider en vevaxel. Att lägga till en turboladdare påskyndar processen genom att blanda bränsle och syre ihop snabbare och skynda dem till förbränning.

För närvarande, i bränsleceller, vätebränsle från en tank och syre från luften driver också en process som producerar energi, I detta fall, elektricitet. De två ingredienserna går ihop i en reaktion, men en mycket annorlunda än förbränning, och mycket renare.

Ena änden av bränslecellen, anoden, tar bort elektroner från väteatomerna i det som kallas oxidation och skickar elektronerna genom en extern krets som elektrisk ström till katoden på andra sidan. Där, syre, som är notoriskt elektronhungrig, suger upp elektronerna i det som kallas reduktion, och det håller elen flödande.

Vätet, nu positivt laddad, och syret, nu negativt laddad, träffas för att bilda vatten, som är bränslecellens avgaser.

I den reaktionskedjan, syre är den långsamma länken på två sätt:Syreminskningen tar längre tid än vätgas oxidation, och det reducerade syret rör sig långsammare genom systemet för att möta väte. Analog med turboladdaren, den nya katalysatorn driver syret framåt.

Nanosyrekick

Katalysatorn appliceras som en ren beläggning som bara är cirka två dussin nanometer tjock och består av två anslutna nanoteknologilösningar som bryter båda syreflaskhalsarna.

Först, nanopartiklar mycket attraktiva för syre ta tag i O2 -molekylen och låt inflödande elektroner snabbt hoppa på den, enkelt minska det och riva det i två separata syrejoner (var och en O2-). Sedan suger en rad kemiska luckor som kallas syrevakanser som är inbyggda i nanopartiklarnas strukturer upp syrejonerna som kedjor av dammsugare som passerar jonerna hand till hand till katalysatorns andra fas.

Den andra fasen är en beläggning som är full av syreflöden som kan passera O2- ännu snabbare mot sin slutdestination.

"Syret går snabbt ner genom kanalerna och går in i bränslecellen, där det möter det joniserade vätet eller en annan elektrondonator som metan eller naturgas. "

Jonerna träffas för att göra vatten, som lämnar bränslecellen. När det gäller metanbränsle, ren CO2 släpps också ut, som kan fångas upp och återvinnas till bränsle.

Intressanta sällsynta metaller

I den första etappen, det finns två olika smaker av nanopartiklar på jobbet. Båda har kobolt, men den ena innehåller barium och den andra praseodym, en sällsynt jordartsmetall som kan vara dyr i stora mängder.

"Praseodymium finns i så mycket små mängder att det inte påverkar kostnaderna, "Liu sa." Och katalysatorn sparar massor av pengar på bränsle och på andra saker. "

Höga driftstemperaturer i befintliga bränsleceller kräver dyra skyddshöljen och kylmaterial. Forskarna tror att katalysatorn kan hjälpa till att sänka temperaturerna genom att minska det elektriska motståndet i den nuvarande bränslecellkemin. Det kunde, i tur och ordning, minska de totala materialkostnaderna.

Skyddande katodbeläggning

Katalysatorns andra steg är ett gitter som innehåller praseodym och barium, samt kalcium och kobolt (PBCC). Förutom dess katalytiska funktion, PBCC -beläggningen skyddar katoden från nedbrytning som kan begränsa livslängden för bränsleceller och liknande enheter.

Det underliggande ursprungliga katodmaterialet, som innehåller metaller lantan, strontium, kobolt, och järn (LSCF), har blivit en branschstandard men har en varning.

"Det är väldigt ledande, mycket bra, men problemet är att strontium genomgår en minskning som kallas segregering i materialet, "Sa Liu." En komponent i vår katalysator, PBCC, fungerar som en beläggning och håller LSCF mycket stabilare. "

LSCF-tillverkning är redan väletablerad, och tillsats av katalysatorbeläggningen till produktionen skulle sannolikt rimligen kunna uppnås. Liu överväger också att ersätta LSCF -katoden helt med det nya katalysatormaterialet, och hans laboratorium utvecklar ännu en katalysator för att öka bränsleoxidationsreaktionerna vid bränslecellens anod.