Författarnas grafenlindade legering gav extraordinära resultat:75 gånger mer katalytisk aktivitet 65 % mer kraftcirka 20 % mer katalytisk aktivitet vid det förväntade slutet av bränslecellens liv ungefär 35 % mindre effektförlust efter test som simulerar 6 000 till 7 000 timmars användning, slog målet på 5 000 timmar för första gången. Kredit:Huang Group UCLA
Lika viktig som förbränningsmotorn har varit för samhälleliga framsteg, är den också en stor bidragande orsak till föroreningar som skadar människors hälsa och koldioxidutsläpp som bidrar till att driva klimatkrisen. Närmare 30 % av USA:s koldioxidutsläpp kommer från transporter, och 95 % av transporterna använder fossila bränslen.
En del av ett potentiellt botemedel skulle vara att driva fordon med vätebränsleceller, som bara avger vattenånga. Men den här hållbarhetslösningen har en ironisk, inbyggd aspekt som är ohållbar:katalysatorerna som krävs för att dra kraft från väte involverar sällsynta och dyra metaller som platina. I mängder som används för dagens teknik skulle en utbredd användning kräva mängder av dessa metaller utöver vad mänskligheten kan hämta.
En nyligen genomförd studie i Nature Nanotechnology ledd av en UCLA-professor kan representera en vändpunkt. Forskarna rapporterade om ett tillvägagångssätt som gjorde det möjligt för dem att uppfylla - och slå - ambitiösa mål för hög katalysatorprestanda, hög stabilitet och låg användning av platina som sattes av Department of Energy. Deras rekordbrytande teknologi använde små kristaller av en platina-koboltlegering, var och en inbäddad i en nanopock gjord av grafen, beskriven som ett tvådimensionellt material eftersom det består av ett lager av en atom tjockt kol.
Jämfört med de stränga DOE-standarderna för katalysatorer – ouppfyllda hittills – gav författarnas grafenlindade legering extraordinära resultat:
"Detta har aldrig gjorts tidigare", säger motsvarande författare Yu Huang, professor och ordförande för Institutionen för materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering, och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA. "Denna upptäckt involverade en del serendipity. Vi visste att vi var inne på något som kan göra mindre partiklar stabila, men vi förväntade oss inte att det skulle fungera så här bra."
Idag används hälften av det totala globala utbudet av platina och liknande metaller till katalysatorer i fordon som drivs av fossila bränslen, en komponent som gör deras utsläpp mindre skadliga. Någonstans mellan 2 och 8 gram platina krävs per fordon. Som jämförelse använder nuvarande vätebränslecellsteknik cirka 36 gram per fordon.
Vid den lägsta belastningen platina som testats av Huang och hennes team skulle varje vätgasdrivet fordon bara behöva 6,8 gram platina.
Så hur fick forskarna ut mer kraft av mindre platina? De bröt upp den platinabaserade katalysatorn till partiklar som var i genomsnitt 3 nanometer långa. En nanometer är en miljarddels meter, och nanopartiklarna var så små att det skulle ta mer än 30 000 lagda ände mot ände för att sträcka sig över tjockleken på ett enda pappersark. Mindre partiklar betyder mer yta, och mer yta betyder mer fastighet där katalytisk aktivitet kan förekomma.
Det finns dock en hake som har hindrat tidigare försök att få bättre prestanda genom att gå små med vätebränslecellskatalysatorer. I sig själva är mindre partiklar också mycket mindre hållbara, eftersom de tenderar att dra av en yta eller trängas ihop till större partiklar.
Huang och hennes kollegor tog upp denna begränsning genom att bepansra sina katalysatorpartiklar i 2D-materialet grafen. Jämfört med bulkkol som vanligtvis ses i kol eller bly, har sådana tunna lager av kol överraskande kapacitet, leder elektricitet och värme effektivt och visar styrkan 100 gånger den hos stål vid liknande tjocklek.
Deras platina-koboltlegering reducerades till partiklar. Innan de integrerades i en bränslecell omgavs partiklarna av grafennanofickor, som fungerade som ett slags ankare för att hindra partiklarna från att migrera - nödvändigt för den hållbarhetsnivå som behövs i kommersiella fordon. Samtidigt tillät grafenen ett litet gap, på cirka 1 nanometer, runt varje katalysatornanopartikel, vilket innebar att viktiga elektrokemiska reaktioner kunde inträffa.
"Det är liksom intuitivt," sa Huang. "Om du sätter ett lock på partikeln som låter reaktionen fortsätta men begränsar partikeln på den platsen, kommer det att lösa hållbarhetsproblemet som dock är mycket utmanande att uppnå i så liten skala."
Detta senaste framsteg följer en nyligen genomförd samarbetsstudie ledd av Huang som producerade en modell för att förutsäga den katalytiska aktiviteten och hållbarheten hos en platinabaserad legering som kan användas för att styra designen av katalysatorer - den första i sitt slag. Hon och hennes team arbetar med att omsätta sina experimentella resultat till praktisk teknik som kan tas ut på marknaden och förhoppningsvis bidra till grön energi och hållbarhetsarbete. + Utforska vidare
