Forskare vid Stanford University har designat en elektrokatalytisk mekanism som fungerar som en däggdjurslunga för att omvandla vatten till bränsle. Deras forskning, publicerad 20 december i tidskriften Joule , kan hjälpa befintlig ren energiteknik att fungera mer effektivt.

Handlingen att andas in och andas ut är så automatisk för de flesta organismer att det kan misstas som enkelt, men däggdjurs andningsprocessen är faktiskt ett av de mest sofistikerade systemen för tvåvägs gasutbyte som finns i naturen. Med varje andetag, luften rör sig genom den lilla, passageliknande bronkioler i lungorna tills den når diminutiva säckar som kallas alveoler. Därifrån, gasen måste passera in i blodomloppet utan att bara diffundera, vilket skulle orsaka att skadliga bubblor bildas. Det är den unika strukturen hos alveolerna – inklusive ett mikrontjockt membran som stöter bort vattenmolekyler på insidan samtidigt som de drar till sig dem på den yttre ytan – som förhindrar dessa bubblor från att bildas och gör gasutbytet mycket effektivt.

Forskare i seniorförfattaren Yi Cuis labb vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Stanford University hämtade inspiration från denna process för att utveckla bättre elektrokatalysatorer:material som ökar hastigheten för en kemisk reaktion vid en elektrod. "Ren energiteknik har visat förmågan till snabb gasreaktantleverans till reaktionsgränssnittet, men den omvända vägen – effektiv gasproduktutveckling från gränssnittet katalysator/elektrolyt – förblir utmanande, säger Jun Li, studiens första författare.

Teamets mekanism efterliknar alveolen strukturellt och genomför två olika processer för att förbättra reaktionerna som driver hållbar teknik som bränsleceller och metall-luftbatterier.

Den första processen är analog med utandning. Mekanismen delar vatten för att producera vätgas, ett rent bränsle, genom att oxidera vattenmolekyler i anoden på ett batteri samtidigt som de reduceras i katoden. Syrgas (tillsammans med vätgasen) produceras snabbt och transporteras genom en tunn, alveolliknande membran tillverkat av polyeten - utan energikostnaderna för att bilda bubblor.

Den andra processen är mer som inandning och genererar energi genom en reaktion som förbrukar syre. Syrgas levereras till katalysatorn vid elektrodytan, så det kan användas som reaktant under elektrokemiska reaktioner.

Även om det fortfarande är i de tidiga utvecklingsfaserna, designen verkar lovande. Det ovanligt tunna nanopolyetenmembranet förblir hydrofobt längre än konventionella kolbaserade gasdiffusionsskikt, och denna modell kan uppnå högre strömtäthet och lägre överpotential än konventionella konstruktioner.

Dock, Den här lunginspirerade designen har fortfarande lite utrymme för förbättring innan den är redo för kommersiell användning. Eftersom nanopolyetenmembranet är en polymerbaserad film, det kan inte tolerera temperaturer högre än 100 grader Celsius, vilket kan begränsa dess tillämpningar. Teamet tror att detta material kan ersättas med liknande tunna nanoporösa hydrofoba membran som kan motstå större värme. De är också intresserade av att införliva andra elektrokatalysatorer i enhetsdesignen för att till fullo utforska deras katalytiska kapacitet.

"Den andningshärmande strukturen skulle kunna kombineras med många andra toppmoderna elektrokatalysatorer, och ytterligare utforskning av gas-vätska-fast trefaselektroden erbjuder spännande möjligheter för katalys, säger Jun Li.