Gurkmeja, en krydda som finns i de flesta kök, har ett extrakt som kan leda till säkrare, effektivare bränsleceller.

Forskare vid Clemson Nanomaterials Institute (CNI) och deras medarbetare från Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) i Indien upptäckte ett nytt sätt att kombinera curcumin – ämnet i gurkmeja – och guldnanopartiklar för att skapa en elektrod som kräver 100 gånger mindre energi för att effektivt omvandla etanol till elektricitet.

Medan forskargruppen måste göra fler tester, för upptäckten att ersätta väte som bränslecellsråvara ett steg närmare.

"Av alla katalysatorer för alkoholoxidation i alkaliskt medium är den vi förberedde den bästa hittills", säger Apparao Rao, CNI:s grundare och R. A. Bowen professor i fysik vid College of Science.

Bränsleceller genererar elektricitet genom en kemisk reaktion istället för förbränning. De används för att driva fordon, byggnader, bärbara elektroniska enheter och reservkraftsystem.

Vätebränsleceller är mycket effektiva och producerar inga växthusgaser. Även om väte är det vanligaste kemiska elementet i universum, måste det härröra från ämnen som naturgas och fossila bränslen eftersom det förekommer naturligt på jorden endast i sammansatt form med andra element i vätskor, gaser eller fasta ämnen. Den nödvändiga utvinningen ökar vätgasbränslecellernas kostnader och miljöpåverkan.

Dessutom är väte som används i bränsleceller en komprimerad gas, vilket skapar utmaningar för lagring och transport. Etanol, en alkohol gjord av majs eller annat jordbruksbaserat foder, är säkrare och lättare att transportera än väte eftersom det är en vätska.

"För att göra det till en kommersiell produkt där vi kan fylla våra tankar med etanol måste elektroderna vara mycket effektiva", säger Lakshman Ventrapragada, en tidigare student till Rao som arbetade som forskningsassistent vid CNI och är en alumn vid SSSIHL. "Samtidigt vill vi inte ha mycket dyra elektroder eller syntetiska polymera substrat som inte är miljövänliga eftersom det motverkar hela syftet. Vi ville titta på något grönt för bränslecellsgenereringsprocessen och att göra själva bränslecellen ."

Forskarna fokuserade på bränslecellens anod, där etanolen eller annan foderkälla oxideras.

Bränsleceller använder i stor utsträckning platina som katalysator. Men platina lider av förgiftning på grund av reaktionsmellanprodukter såsom kolmonoxid, sade Ventrapragada. Det är också kostsamt.

Forskarna använde guld som en katalysator. Istället för att använda ledande polymerer, metallorganiska ramverk eller andra komplexa material för att deponera guldet på ytan av elektroden, använde forskarna curcumin på grund av dess strukturella unikhet. Curcumin används för att dekorera guldnanopartiklarna för att stabilisera dem och bildar ett poröst nätverk runt nanopartiklarna. Forskare deponerade nanopartikeln av curcuminguld på elektrodens yta med en 100 gånger lägre elektrisk ström än i tidigare studier.

Utan curcuminbeläggningen agglomererar guldnanopartiklarna och skär ner på ytan som utsätts för den kemiska reaktionen, sa Ventrapragada.

"Utan denna curcuminbeläggning är prestandan dålig," sa Rao. "Vi behöver den här beläggningen för att stabilisera och skapa en porös miljö runt nanopartiklarna, och sedan gör de ett superjobb med alkoholoxidation.

"Det finns ett stort tryck i branschen för alkoholoxidation. Den här upptäckten är en utmärkt möjliggörare för det. Nästa steg är att skala upp processen och arbeta med en industriell samarbetspartner som faktiskt kan tillverka bränslecellerna och bygga staplar av bränsleceller för den verkliga ansökan", fortsatte han.

Men forskningen kan ha bredare konsekvenser än förbättrade bränsleceller. Elektrodens unika egenskaper kan lämpa sig för framtida tillämpningar i sensorer, superkondensatorer och mer, sa Ventrapragada.

I samarbete med SSSIHL-forskarteamet testar Raos team elektroden som en sensor som kan hjälpa till att identifiera förändringar i nivån av dopamin. Dopamin har varit inblandat i sjukdomar som Parkinsons sjukdom och uppmärksamhetsstörning med hyperaktivitet. När medlemmar av forskargruppen testade urinprov från friska frivilliga kunde de mäta dopamin till det godkända kliniska intervallet med denna elektrod med en kostnadseffektiv metod jämfört med standardmetoder som används idag, sa Rao.

"I början av projektet föreställde vi oss inte andra applikationer som guldbelagt curcumin kunde stödja. Men innan alkoholoxidationsexperimenten var slut, var vi ganska övertygade om att andra applikationer är möjliga," sa Ventrapragada. "Även om vi inte har en fullständig förståelse för vad som händer på atomnivå, vet vi med säkerhet att curcumin stabiliserar guldnanopartiklarna på ett sätt som kan lämpa sig för andra tillämpningar."

Tidskriften Nano Energy publicerade resultaten i en artikel med titeln "Grön syntes av en ny porös guld-curcumin nanokomposit för supereffektiv alkoholoxidation." + Utforska vidare

Kolbelagt nickel möjliggör en vätebränslecell fri från ädelmetaller