En enda enhet som både genererar bränsle och oxidationsmedel från vatten och, när en strömbrytare vrids, omvandlar bränslet och syret till el och vatten, har en mängd fördelar för markbundna, rymdtillämpningar och militära tillämpningar. Från låg miljöpåverkan till hög energitäthet, utveckla effektiva enhetliga regenerativa bränsleceller, eller URFC som de kallas, har varit i forskarnas sikte i flera år nu.

Men för att verkligen vara effektiv, en URFC behöver bifunktionella katalysatorer. Detta betyder, i elektrolysläge, katalysatorer bör underlätta nedbrytningen av vatten till väte och syre, och, i bränslecellsläge, underlätta deras rekombination till vatten. Nu, arbetar i Vijay Ramanis labb, the Roma B. &Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor, ett team av forskare har hittat en utmärkt bifunktionell katalysator för syreelektroden.

Deras arbete publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Till skillnad från väteelektroden, varvid platina är en effektiv bifunktionell katalysator, det är mycket utmanande att identifiera en lämplig katalysator för syreelektroden på grund av den tröga kinetiken för syrereduktion och syreutveckling, " sa Pralay Gayen, arbetar för närvarande på Intel, som var postdoktoral forskarassistent i Ramanis labb vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis och fungerade som tidningens första författare.

Sulay Saha, en postdoktoral forskarassistent vid Ramanis laboratorium, och Gayens forskning vägleddes av första principer – att ta hänsyn till de grundläggande egenskaperna hos olika ämnen innan de gick till labbet för att testa potentiella katalysatorer.

Tillsammans med den tidigare forskaren och medförfattaren Xinquan Liu, teamet identifierade och utvecklade till slut Pt-Pyrochlore, en komposit av platina och en blyrutenatpyroklor, vilket gav hög bifunktionalitet.

"Bifunktionalitetsindex" är ett mått på katalysatorns förmåga att underlätta både framåt- och bakåtriktningen av en reaktion. "Vi vill att indexet ska vara lågt, sa Kritika Sharma, en Ph.D. ingenjör student. "Noll, idealiskt." Denna nya katalysator har ett bifunktionalitetsindex på 0,56 volt – mycket lågt jämfört med andra rapporterade katalysatorer. När den används i en URFC-enhet utvecklad av laboratoriet, Katalysatorn möjliggjorde en energieffektivitet tur och retur (RTE) på 75 % – den högsta rapporterade tur och retureffektiviteten i denna typ av URFC.

Med så hög effektivitet, de utvecklade URFC:erna är väl lämpade för applikationer som dränkbara vatten, drönare, rymdfarkoster och rymdstationer, samt för energilagring utanför nätet.