Eftersom förnybara källor som vind och sol snabbt förändrar energilandskapet, forskare letar efter sätt att bättre lagra energi när det behövs. Bränsleceller, som omvandlar kemisk energi till elektrisk kraft, är en möjlig lösning för långsiktig energilagring, och en dag skulle kunna användas för att driva lastbilar och bilar utan att bränna bränsle. Men innan bränsleceller kan användas allmänt, kemister och ingenjörer måste hitta sätt att göra denna teknik mer kostnadseffektiv och stabil.

En ny studie från labbet av Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray, ledd av doktoranden Jennifer Lee, visar hur specialdesignade nanomaterial kan användas för att möta dessa utmaningar. I ACS tillämpade material och gränssnitt , forskare visar hur en bränslecell kan byggas av billigare, mer allmänt tillgängliga metaller med en design på atomnivå som också ger materialet långtidsstabilitet. Tidigare post-doc Davit Jishkariani och tidigare studenter Yingrui Zhao och Stan Najmr, nuvarande student Daniel Rosen, och professorerna James Kikkawa och Eric Stach, också bidragit till detta arbete.

Den kemiska reaktionen som driver en bränslecell bygger på två elektroder, en negativ anod och en positiv katod, separeras av en elektrolyt, ett ämne som låter jonerna röra sig. När bränsle kommer in i anoden, en katalysator separerar molekyler till protoner och elektroner, med den senare färdas mot katoden och skapar en elektrisk ström.

Katalysatorer är vanligtvis gjorda av ädelmetaller, som platina, men eftersom de kemiska reaktionerna bara sker på materialets yta, alla atomer som inte finns på materialets yta går till spillo. Det är också viktigt för katalysatorer att vara stabila i månader och år eftersom bränsleceller är mycket svåra att ersätta.

Kemister kan ta itu med dessa två problem genom att designa anpassade nanomaterial som har platina på ytan samtidigt som de använder vanligare metaller, som kobolt, i bulken för att ge stabilitet. Murray-gruppen utmärker sig på att skapa välkontrollerade nanomaterial, känd som nanokristaller, där de kan kontrollera storleken, form, och sammansättningen av något sammansatt nanomaterial.

I den här studien, Lee fokuserade på katalysatorn i katoden i en specifik typ av bränslecell känd som en protonbytesmembranbränslecell. "Katoden är mer av ett problem, eftersom materialen är antingen platina- eller platinabaserade, som är dyra och har lägre reaktionshastighet, "Säger hon. "Att designa katalysatorn för katoden är huvudfokus för att designa en bra bränslecell."

Utmaningen, förklarar Jishkariani, var i att skapa en katod där platina- och koboltatomer skulle formas till en stabil struktur. "Vi vet att kobolt och platina blandas väl, men om du gör legeringar av dessa två, du har lagt till atomer av platina och kobolt i en slumpmässig ordning, " säger han. Att tillsätta mer kobolt i slumpmässig ordning gör att det läcker ut i elektroden, vilket innebär att bränslecellen bara kommer att fungera under en kort tid.

För att lösa det här problemet, forskare designade en katalysator gjord av skiktad platina och kobolt, känd som en intermetallisk fas. Genom att kontrollera exakt var varje atom satt i katalysatorn och låsa strukturen på plats, katodkatalysatorn kunde arbeta under längre perioder än när atomerna var slumpmässigt ordnade. Som ett ytterligare oväntat fynd, forskarna fann att tillsats av mer kobolt till systemet ledde till större effektivitet, med ett 1-till-1-förhållande mellan platina och kobolt, bättre än många andra strukturer med ett brett utbud av platina-till-kobolt-förhållanden.

Nästa steg blir att testa och utvärdera det intermetalliska materialet i bränslecellsaggregat för att göra direkta jämförelser med kommersiellt tillgängliga system. Murray-gruppen kommer också att arbeta på nya sätt att skapa den intermetalliska strukturen utan höga temperaturer och se om tillsats av ytterligare atomer förbättrar katalysatorns prestanda.

Detta arbete krävde högupplöst mikroskopisk avbildning, arbete som Lee tidigare gjorde på Brookhaven National Lab men, tack vare de senaste förvärven, kan nu göras på Penn i Singh Center for Nanotechnology. "Många av de avancerade experimenten som vi skulle ha behövt resa till runt om i landet, ibland runt om i världen, vi kan nu göra mycket närmare hemmet, " säger Murray. "De framsteg som vi har gjort inom elektronmikroskopi och röntgenspridning är ett fantastiskt tillskott för människor som arbetar med energiomvandling och katalytiska studier."

Lee upplevde också på egen hand hur kemiforskning direkt kopplar till verkliga utmaningar. Hon presenterade nyligen detta arbete på International Precious Metals Institute-konferensen och säger att det var upplysande att träffa medlemmar i ädelmetallgemenskapen. "Det finns företag som tittar på bränslecellsteknik och pratar om den senaste designen av bränslecellsbilarna, " säger hon. "Du får interagera med människor som tänker på ditt projekt från olika perspektiv."

Murray ser denna grundläggande forskning som en utgångspunkt mot kommersiell implementering och tillämpning i den verkliga världen, betonar att framtida framsteg beror på den framåtblickande forskning som sker nu. "Tänker på en värld där vi har förflyttat mycket av de traditionella fossilbränslebaserade insatserna, om vi kan räkna ut denna omvandling av elektrisk och kemisk energi, som kommer att lösa ett par mycket viktiga problem samtidigt."