Bränsleceller har länge betraktats som en lovande kraftkälla. Dessa enheter, uppfanns på 1830 -talet, generera el direkt från kemikalier, som väte och syre, och producerar endast vattenånga som utsläpp. Men de flesta bränsleceller är för dyra, ineffektiv, eller båda.

I ett nytt tillvägagångssätt, inspirerad av biologi och publicerad idag (3 oktober, 2018) i tidningen Joule , ett University of Wisconsin-Madison-team har utformat en bränslecell med billigare material och en organisk förening som skjuter elektroner och protoner.

I en traditionell bränslecell, elektronerna och protonerna från väte transporteras från en elektrod till en annan, där de kombineras med syre för att producera vatten. Denna process omvandlar kemisk energi till elektricitet. För att generera en meningsfull laddning på tillräckligt kort tid, en katalysator behövs för att påskynda reaktionerna.

Just nu, den bästa katalysatorn på marknaden är platina - men den kommer med en hög prislapp. Detta gör bränslecellerna dyra och är en anledning till att det bara finns några tusen fordon som körs på vätebränsle för närvarande på amerikanska vägar.

Shannon Stahl, UW-Madison professor i kemi som ledde studien i samarbete med Thatcher Root, professor i kemisk och biologisk teknik, säger att billigare metaller kan användas som katalysatorer i nuvarande bränsleceller, men endast om det används i stora mängder. "Problemet är, när du fäster för mycket av en katalysator till en elektrod, materialet blir mindre effektivt, " han säger, "vilket leder till en förlust av energieffektivitet."

Lagets lösning var att packa en billigare metall, kobolt, in i en reaktor i närheten, där den större mängden material inte stör dess prestanda. Teamet utarbetade sedan en strategi för att transportera elektroner och protoner fram och tillbaka från denna reaktor till bränslecellen.

Rätt fordon för denna transport visade sig vara en organisk förening, kallade kinon, som kan bära två elektroner och protoner åt gången. I teamets design, en kinon tar upp dessa partiklar vid bränslecellelektroden, transporterar dem till den närliggande reaktorn fylld med en billig koboltkatalysator, och återvänder sedan till bränslecellen för att hämta fler "passagerare".

Många kinoner bryts ner till en tjärliknande substans efter bara några rundturer. Stahls lab, dock, designat ett ultrastabilt kinonderivat. Genom att ändra dess struktur, laget saktade drastiskt ner försämringen av kinonen. Faktiskt, föreningarna de monterade håller upp till 5, 000 timmar-en mer än 100-faldig livslängd jämfört med tidigare kinonstrukturer.

"Även om det inte är den slutliga lösningen, vårt koncept introducerar ett nytt tillvägagångssätt för att hantera problemen på detta område, "säger Stahl. Han noterar att energiproduktionen från hans nya design ger cirka 20 procent av det som är möjligt i vätgasbränsleceller som för närvarande finns på marknaden. Å andra sidan, systemet är ungefär 100 gånger mer effektivt än biobränsleceller som använder relaterade organiska skyttlar.

Nästa steg för Stahl och hans team är att höja prestationen för kinonförmedlarna, så att de kan skicka elektroner mer effektivt och producera mer kraft. Detta förskott skulle tillåta deras design att matcha prestanda för konventionella bränsleceller, men med en lägre prislapp.

"Det slutliga målet för detta projekt är att ge industrin kolfria alternativ för att skapa el, "säger Colin Anson, en postdoktor i Stahl-labbet och medförfattare. "Målet är att ta reda på vad industrin behöver och skapa en bränslecell som fyller det hålet."

Detta steg i utvecklingen av ett billigare alternativ kan så småningom bli en välsignelse för företag som Amazon och Home Depot som redan använder vätebränsleceller för att köra gaffeltruckar i sina lager.

"Trots stora hinder, väteekonomin verkar växa, "tillägger Stahl, "ett steg i taget."