Bränsleceller har potential att vara ett rent och effektivt sätt att köra bilar, datorer, och kraftverk, men kostnaden för att producera dem begränsar deras användning. Det beror på att en nyckelkomponent i de vanligaste bränslecellerna är en katalysator gjord av den ädla metallen platina.

I en tidning som publicerades idag i Små , forskare vid University of California, Riverside, beskriv utvecklingen av en billig, effektivt katalysatormaterial för en typ av bränslecell som kallas en polymerelektrolytmembranbränslecell (PEMFC), som omvandlar vätgas kemiska energi till elektricitet och är bland de mest lovande bränslecellstyperna för att driva bilar och elektronik.

Katalysatorn som utvecklats vid UCR är gjord av porösa kolnanofibrer inbäddade med en förening gjord av en relativt riklig metall som kobolt, vilket är mer än 100 gånger billigare än platina. Forskningen leddes av David Kisailus, Winston Chung-begåvad professor i energiinnovation vid UCR:s Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering.

Bränsleceller, som redan används av vissa biltillverkare, erbjuder fördelar jämfört med konventionell förbränningsteknik, inklusive högre effektivitet, tystare drift och lägre utsläpp. Vätebränsleceller släpper bara ut vatten.

Som batterier, Bränsleceller är elektrokemiska anordningar som består av en positiv och negativ elektrod som lägger in en elektrolyt. När ett vätebränsle sprutas in på anoden, en katalysator separerar vätemolekylerna i positivt laddade partiklar som kallas protoner och negativt laddade partiklar som kallas elektroner. Elektronerna leds genom en extern krets, där de gör nyttigt arbete, som att driva en elmotor, innan de återförenar de positivt laddade vätejonerna och syre för att bilda vatten.

En kritisk barriär för bränslecellsantagande är kostnaden för platina, gör utvecklingen av alternativa katalysatormaterial till en viktig drivkraft för deras massimplementering.

Genom att använda en teknik som kallas elektrospinning, UCR-forskarna gjorde papperstunna ark av kolnanofibrer som innehöll metalljoner - antingen kobolt, järn eller nickel. Vid uppvärmning, jonerna bildade ultrafina metallnanopartiklar som katalyserade omvandlingen av kol till ett högpresterande grafitkol. Senare, metallnanopartiklarna och kvarvarande icke-grafitiskt kol oxiderades, vilket leder till ett mycket poröst och användbart nätverk av metalloxidnanopartiklar dispergerade i ett poröst nätverk av grafit.

Kisailus och hans team, samarbetar med forskare vid Stanford University, fastställt att de nya materialen fungerade lika bra som industristandarden platina-kol-system, men till en bråkdel av kostnaden.

"Nyckeln till den höga prestandan hos materialen vi skapat är kombinationen av kemi och fiberbearbetningsförhållanden, " sade Kisailus. "De anmärkningsvärda elektrokemiska egenskaperna tillskrevs främst de synergistiska effekterna som erhölls från konstruktionen av metalloxiden med exponerade aktiva platser och den 3D-hierarkiska porösa grafitiska strukturen."

Kisailus sa att en extra fördel med den katalytiska nanokompositen var att dess grafitfiberkaraktär gav ytterligare styrka och hållbarhet, vilket skulle göra det möjligt för den att fungera som både en bränslecellskatalysator och potentiellt som en strukturell komponent.

"En viktig utmaning för att tillverka högpresterande fordon är att minska vikten, både från fordonets kaross och extra vikt från batteriet eller bränslecellen, utan att påverka säkerheten eller prestanda, ", sa han. "Materialet vi skapade kan göra det möjligt för biltillverkare att vända strukturella komponenter, såsom huven eller chassit, till funktionella element som hjälper till att driva bilar."