Forskare använde plasma för att skapa nya katalysatorer som är mycket billigare än och nästan lika effektiva som standard, platinagruppversioner. Kredit:Princeton University
Som alla som har köpt smycken kan intyga, platina är dyrt. Det är tufft för konsumenterna men också ett allvarligt hinder för en lovande elkälla för fordon:vätebränslecellen, som förlitar sig på platina.
Nu är en forskargrupp ledd av Bruce E. Koel, professor i biologisk och kemiteknik vid Princeton University, har öppnat en dörr för att hitta mycket billigare alternativ. I en artikel publicerad 4 april i tidskriften Naturkommunikation , forskarna rapporterade att en kemisk förening baserad på hafnium fungerade ungefär 60 procent lika effektivt som platinarelaterade material men till ungefär en femtedel av kostnaden.
"Vi hoppas hitta något som är mer rikligt och billigare för att katalysera reaktioner, sa Xiaofang Yang, huvudforskare på HiT Nano Inc. och gästande samarbetspartner på Princeton som arbetar med Koel i projektet.
Bränsleceller fungerar genom att omvandla energi lagrad i väteatomer direkt till elektricitet. NASA har länge använt bränsleceller för att driva satelliter och andra rymduppdrag. I dag, de börjar användas för elbilar och bussar.
Väte är det enklaste och mest förekommande grundämnet, inte bara på denna planet, men också i det kända universum.
På den mest grundläggande nivån, bränsleceller producerar elektricitet genom att dela väte i dess två komponenter, en proton och en elektron. Protonerna strömmar genom ett membran och kombineras med syre för att bilda vatten. De negativt laddade elektronerna strömmar mot en positivt laddad pol i bränslecellen. Detta elektronflöde är den ström som bränslecellen genererar, som kan driva motorer eller andra elektriska apparater. Denna klyvning kräver ett material såsom platina för att katalysera reaktionen.
Katalysatorer används också i reaktioner som skapar den vätgas som fungerar som bränsle för bränslecellen. I det mest önskvärda, fossilbränsleoberoende fall, förnybar elektrisk energi kan användas för att dela vattenmolekyler (två väteatomer och ett syre) i närvaro av en katalysator. Reaktionen delar upp vattnet i syre och vätgas. Ju effektivare katalysatorn är, desto mindre energi behövs för att dela vattnet.
Vissa avancerade bränsleceller, kallade regenerativa bränsleceller, kombinera båda reaktionerna. Men de flesta nuvarande bränsleceller är beroende av väte som skapas av separata system och säljs som bränsle.
Princeton-forskare har utvecklat en metod för att skapa billigare katalysatorer för bränsleceller och produktion av vätgas. Från vänster, forskargruppen inkluderade Bruce Koel, professor i kemisk och biologisk teknik; och medforskare Xiaofang Yang, en gästforskare; Fang Zhao, en postdoktorand forskare; och Nan Yao, en senior forskare och chef för Imaging and Analysis Center vid Princetons materialinstitut. Foto av Frank Wojciechowski
Just nu, de bästa katalysatorerna för båda reaktionerna är platinagruppmetaller. Forskarna tror inte att det kommer att förändras eftersom "platina är nästan perfekt, " sa Koel. Med metaller från platinagruppen, de elektrokemiska reaktionerna för att dra ut vätet är snabba och effektiva, plus att metallerna kan stå emot de hårda sura förhållanden som för närvarande krävs för sådana reaktioner.
Problemet, fastän, är att platina är sällsynt och kostsamt. "Du kan inte riktigt föreställa dig att ersätta transportinfrastrukturen med bränsleceller baserade på platina, " Sa Koel. "Det är för sällsynt och för dyrt att använda i den skalan."
För sådana applikationer, platinas perfektion kanske inte behövs. Ett tillräckligt bra substitut, forskarna fann, är hafniumoxihydroxid som har behandlats med en kväveplasma (plasma är en joniserad gas och är ett tillstånd av materia som finns i lysrör och solen) för att införliva kväveatomer i materialet.
Tidigare, många material har förbisetts för elektrokemitillämpningar eftersom de är icke-ledande. Dock, forskarna fann att bearbetning av hafniumoxid med kväveplasman bildar en tunn film av material som fungerar som en mycket aktiv katalysator som även överlever under starkt sura förhållanden.
Även om denna hafniumbaserade film bara är ungefär två tredjedelar så effektiv som platina, hafnium är mycket billigare än platina. Forskarna planerar att testa zirkonium, vilket är ännu billigare, Nästa.
Även om de kan vara användbara i bränsleceller, Yang och Koel tror att dessa typer av material kan vara mest värdefulla i system som använder en katalysator för att elektrokemiskt dela vatten för att producera väte för användning som bränsle.
"Den framtida förnybara ekonomin beror mycket på hur vi effektivt kan dela vatten för att generera väte, "Yang sa. "Det här steget är ganska viktigt."
Men Yang och Koel betonar att deras upptäckt inte kommer att leda till en ström av ny prisvärd teknik ännu - eller ens i en nära framtid. Just nu, proceduren för att skapa materialet är komplex och begränsad till labbet. Samtidigt som de har bekräftat filmens prestanda, man måste alltid ta hänsyn till den ingenjörskonst som krävs för att göra det praktiskt taget i stor skala. Istället, denna upptäckt öppnar dörren för ytterligare utforskning av material som kan ersätta platina.
"Vi förstår fortfarande inte varför just detta material är så speciellt, men vi är säkra på egenskaperna som vi har mätt, " sade Koel. "Materialet är komplicerat, så vi har mycket att göra."
