2019 Toyota Mirai elfordon har noll utsläpp, tack vare en bränslecell som går på vätgas istället för bensin. Men Mirai har knappt lämnat Kalifornien, dels för att dagens bränslecellselektroder är gjorda av superdyr platina.

Att skära ner på platina skulle också minska kostnaderna, låta fler elbilar komma ut på marknaden.

En ny metod lånar lite tänkande från "Goldilocks" - precis rätt mängd - för att utvärdera hur mycket metall som skulle behövas för bränslecellselektroder. Tekniken använder krafterna på en metalls yta för att identifiera den ideala elektrodtjockleken.

"Det finns exakt rätt mängd metall som ger bränslecellselektroder de bästa egenskaperna, sa Jeffrey Greeley, professor i kemiteknik vid Purdue. "Om de är för tjocka eller för tunna, huvudreaktionen för att installera en bränslecell fungerar inte lika bra, så det finns en sorts guldlocksprincip här."

Studien, kommer att publiceras i numret av tidskriften den 22 februari Vetenskap , var ett samarbete mellan Johns Hopkins University, Purdue University och University of California i Irvine.

Forskarna testade sin teori på palladium, en metall mycket lik platina.

"Vi använder i huvudsak kraft för att justera egenskaperna hos tunna metallplåtar som utgör elektrokatalysatorer, som är en del av bränslecellernas elektroder, "Sade Greeley. "Det slutliga målet är att testa denna metod på en mängd olika metaller."

Bränsleceller omvandlar väte, i kombination med lite syre, till elektricitet genom en så kallad syrereduktionsreaktion som en elektrokatalysator startar. Att hitta exakt rätt tjocklek stressar ytan på elektrokatalysatorn och förbättrar hur väl den utför denna reaktion.

Forskare i det förflutna har försökt använda yttre krafter för att expandera eller komprimera en elektrokatalysators yta, men att göra det riskerade att göra elektrokatalysatorn mindre stabil.

Istället, Greeleys grupp förutspådde genom datorsimuleringar att den inneboende kraften på ytan av en palladiumelektrokatalysator kunde manipuleras för bästa möjliga egenskaper.

Enligt simuleringarna, en elektrokatalysator fem lager tjock, varje lager så tunt som en atom, skulle räcka för att optimera prestandan.

"Kämpa inte mot styrkor, Använd dem, " sa Zhenhua Zeng, en Purdue postdoktoral forskare i kemiteknik, och co-förste och co-korrespondent författare på detta papper. "Det här är ungefär som hur vissa strukturer i arkitekturen inte behöver externa balkar eller pelare eftersom spännings- och tryckkrafter är fördelade och balanserade."

Experiment i Chao Wangs labb vid Johns Hopkins bekräftade simuleringsförutsägelserna, upptäckt att metoden kan öka katalysatoraktiviteten med 10 till 50 gånger, använder 90 procent mindre av metallen än vad som för närvarande används i bränslecellselektroder.

Detta beror på att ytkraften på de atomärt tunna elektroderna ställer in spänningen, eller avstånd mellan atomer, av metallplåtarna, förändra deras katalytiska egenskaper.

"Genom att justera materialets tjocklek, vi kunde skapa mer påfrestning. Detta innebär att du har större frihet att accelerera den reaktion du vill ha på materialets yta, " sa Wang.