Bränsleceller, apparater som kan producera elektricitet från väte eller andra bränslen utan att bränna dem, anses vara ett lovande nytt sätt att driva allt från hem och bilar till bärbara enheter som mobiltelefoner och bärbara datorer. Deras stora fördel - möjligheten att eliminera utsläpp av växthusgaser och andra föroreningar - har uppvägts av deras mycket höga kostnader, och forskare har försökt hitta sätt att göra enheterna billigare.

Nu, ett MIT-team ledd av docent i maskinteknik och materialvetenskap och teknik Yang Shao-Horn har hittat en metod som lovar att dramatiskt öka effektiviteten hos elektroderna i en typ av bränslecell, som använder metanol istället för väte som bränsle och anses lovande som ersättning för batterier i bärbara elektroniska enheter. Eftersom dessa elektroder är gjorda av platina, öka deras effektivitet innebär att mycket mindre av den dyra metallen behövs för att producera en given mängd kraft.

Nyckeln till ökad effektivitet, laget hittade, är att ändra materialets ytstruktur. Genom att skapa små trappsteg till ytan istället för att lämna den slät, elektrodens förmåga att katalysera oxidation av bränslet och därmed producera elektrisk ström ungefär fördubblades i experiment, och forskarna tror att ytterligare utveckling av dessa ytstrukturer kan leda till mycket större ökningar, ger mer elektrisk ström för en given mängd platina.

Deras resultat rapporteras 13 oktober i Journal of the American Chemical Society . Tidningens åtta författare inkluderar kemiingenjörsstudenten Seung Woo Lee och maskiningenjörspostdoktorn Shuo Chen, tillsammans med Shao-Horn och andra forskare vid MIT, Japan Institute of Science and Technology, och Brookhaven National Laboratory.

"Ett av våra forskningsfokus är att utveckla aktiva och stabila katalysatorer, "Shao-Horn säger, och detta nya arbete är ett viktigt steg mot "att ta reda på hur ytatomstrukturen kan förbättra katalysatorns aktivitet" i direkta metanolbränsleceller.

Att lösa en kontrovers

I sina experiment, laget använde platinananopartiklar avsatta på ytan av flerväggiga kolnanorör. Lee säger att många människor har experimenterat med användningen av platinananopartiklar för bränsleceller, men resultaten av partikelstorlekseffekten på aktiviteten hittills har varit motsägelsefulla och kontroversiella. "Vissa människor ser aktiviteten öka, vissa människor ser en minskning" i aktivitet när partikelstorleken minskar. "Det har varit en kontrovers om hur storlek påverkar aktiviteten."

Det nya arbetet visar att nyckelfaktorn inte är storleken på partiklarna, men detaljerna i deras ytstruktur. "Vi visar detaljerna i ytsteg som presenteras på nanopartiklar, och relatera mängden ytsteg till aktiviteten." säger Chen. Genom att producera en yta med flera steg på, laget fördubblade elektrodens aktivitet, och teammedlemmarna arbetar nu med att skapa ytor med ännu fler steg för att försöka öka aktiviteten ytterligare. Teoretiskt sett, de säger, det bör vara möjligt att öka aktiviteten i storleksordningar.

Shao-Horn föreslår att nyckelfaktorn är tillägget av kanterna på stegen, som verkar ge en plats där det är lättare för atomer att bilda nya bindningar. Tillägget av steg skapar fler av dessa aktiva webbplatser. Dessutom, teamet har visat att stegstrukturerna är tillräckligt stabila för att kunna underhållas under hundratals cykler. Den stabiliteten är nyckeln till att kunna utveckla praktiska och effektiva direkta metanolbränsleceller.

Teammedlemmarna hoppas också förstå om stegen förbättrar den andra delen av processen som äger rum i en bränslecell. Denna studie tittade på förstärkningen av oxidation, men den andra sidan av en bränslecell genomgår syrereduktion. Förstärker tillägget av steg till ytan också syrereduktionen? "Vi måste ta reda på varför det gör det, eller varför gör det inte det, " säger Shao-Horn. Forskarna förväntar sig att få svar på den frågan under de närmaste månaderna.

Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology (nyheter:webb)