För att göra dagens bränsleceller billigare och mer kraftfulla, ett team ledd av Johns Hopkins kemiingenjörer har hämtat inspiration från den antika egyptiska traditionen av förgyllning.

Egyptiska konstnärer på kung Tutankhamons tid täckte ofta billigare metaller (koppar, till exempel) med ett tunt lager av en glänsande ädelmetall som guld för att skapa extravaganta masker och smycken. I en modern twist, de Johns Hopkins-ledda forskarna har applicerat en liten beläggning av dyr platina bara en nanometer tjock – 100, 000 gånger tunnare än ett människohår — till en kärna av mycket billigare kobolt. Detta mikroskopiska äktenskap kan bli en avgörande katalysator i nya bränsleceller som genererar elektrisk ström för att driva bilar och andra maskiner.

Den nya bränslecelldesignen skulle spara pengar eftersom den skulle kräva mycket mindre platina, en mycket sällsynt och dyr metall som vanligtvis används som katalysator i dagens elbilar med bränsleceller. Forskarna, som publicerade sitt arbete tidigare i år i Nanobokstäver , säga att genom att göra elbilar mer överkomliga, denna innovation kan minska utsläppen av koldioxid och andra föroreningar från bensin- eller dieseldrivna fordon.

"Denna teknik kan påskynda vår lansering ur fossilbränsleeran, sa Chao Wang, en Johns Hopkins biträdande professor vid institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och senior författare till studien. "Det kommer inte bara att minska kostnaderna för bränsleceller. Det kommer också att förbättra energieffektiviteten och kraftprestandan hos rena elfordon som drivs med vätgas."

I sin tidskriftsartikel, författarna riktade sina hattar till de forntida egyptiska hantverkarna som använde en liknande pläteringteknik för att ge kopparmasker och andra metalliska konstverk ett glänsande slutskikt av silver eller guld. "Idén, "Wang sa, "är att lägga lite av den dyrbara skatten ovanpå de billiga prylarna."

Han påpekade att platina, används ofta i smycken, är också ett kritiskt material i modern industri. Det katalyserar viktiga reaktioner i aktiviteter inklusive petroleumbearbetning, petrokemisk syntes, och utsläppskontroll i förbränningsfordon, och används i bränsleceller. Men, han sa, Platinas höga kostnad och begränsade tillgänglighet har gjort användningen av den i ren energiteknik i stort sett opraktisk – fram till nu.

"Det finns mycket mer kobolt där ute än platina, " sa huvudförfattaren och Johns Hopkins postdoktor Lei Wang, som inte är släkt med Chao Wang. "Vi har kunnat utöka fördelarna med platina avsevärt genom att belägga det över kobolt, och vi lyckades till och med förbättra platinaaktiviteten samtidigt."

Tidigare försök att plätera ädelmetaller på oädla material hindrades till stor del av galvaniska ersättningsreaktioner - oxidation av den oädla metallen. I den här studien, teamet lyckades undertrycka sådana reaktioner genom att introducera kolmonoxid, en gasmolekyl som starkt binder till kobolt, skyddar den från oxidation.

Inte bara minskade nanopartiklarna av kobolt-platina användningen av platina; de presterade nästan 10 gånger bättre än enbart platina. Forskarna sa att denna förbättrade katalytiska aktivitet var resultatet av både den maximerade exponeringen av platinaatomer på ytan och från interaktioner mellan de två metallerna.

"Den intima kontakten mellan kobolt och platina ger upphov till tryckspänning, ", sa Lei Wang. "Det förkortar avståndet mellan platinaatomer och gör de kemiska reaktionerna mer genomförbara på ytan."

Eftersom platina och andra sällsynta metaller spelar nyckelroller i många industriella tillämpningar, konsekvenserna av detta arbete sträcker sig bortom bränsleceller. För närvarande, teamet arbetar med att anpassa sin teknik till andra ädelmetaller och oädla substrat. Ny utveckling kommer att inriktas på ytterligare tillämpningar av sådana material vid kemisk omvandling av kolväten.

"Många reaktioner som är beroende av ädelmetallkatalysatorer skulle kunna göras billigare och effektivare genom att dra fördel av vår teknik, " sade Chao Wang. "I en tid då vi blir smärtsamt medvetna om gränserna för våra icke-förnybara energikällor och material, denna teknik pekar oss i en mycket välkommen ny riktning."