Etanolbränsleceller anses vara lovande källor till grön el. Dyra platinakatalysatorer används dock i deras produktion. Forskning om lasersmältning av suspensioner utförd vid Institute of Nuclear Physics vid Polska Vetenskapsakademin i Krakow, har lett forskare till material som katalyserar etanol med en liknande – och potentiellt ännu större – effektivitet som platina, men som ändå är gjorda av ett grundämne det är många gånger billigare än platina.
När laserpulser bestrålar en suspension av nanopartiklar kan partiklarna i suspensionen börja smälta och hålla ihop permanent, samtidigt som de snabbt genomgår kemiska reaktioner som är mer eller mindre komplexa. Ett av de senaste materialen som erhållits på detta sätt, producerat vid Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, visar sig ha en oväntat hög effektivitet när det gäller att katalysera etanol, en förening som anses vara en lovande energi källa för bränsleceller.
Etanol är ett bränsle med många fördelar – det kan tillverkas på ett förnybart sätt (till exempel från biomassa), det kan enkelt lagras och har låg toxicitet. Det som är särskilt viktigt är dock det faktum att upp till flera gånger mängden elektricitet kan erhållas från en massaenhet etanol jämfört med nuvarande populära kraftkällor.
Elektricitet i etanoldrivna bränsleceller genereras av processer som är förknippade med oxidationen av denna alkohol på reaktionens katalysatorskikt. Tyvärr tillåter inte nuvarande katalysatorer etanols snabba och fullständiga oxidation till vatten och koldioxid. Som ett resultat misslyckas cellerna inte bara med att uppnå maximal effektivitet, utan producerar också oönskade biprodukter som avsätts på katalysatorn och med tiden leder till att dess egenskaper försvinner.
"Ett avsevärt hinder för etanolcellers kommersiella framgång är också deras pris. Katalysatorn vi har hittat kan ha en betydande inverkan på dess minskning och följaktligen på tillgängligheten av nya celler på konsumentmarknaden. Detta beror på att dess huvudkomponent är inte platina, utan koppar, vilket är nästan 250 gånger billigare än platina", säger Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), första författare till artikeln i tidskriften Advanced Functional Materials.
Framgången för forskare från IFJ PAN är resultatet av forskning som utförts på laserkontroll av storleken och den kemiska sammansättningen av agglomerat i suspensioner. Huvudidén bakom lasernanosyntesen av kompositer är bestrålningen av en suspension som innehåller agglomerat av nanopartiklar av en specifik kemisk substans med pulser av ofokuserat laserljus med lämpligt valda parametrar.
Den passande tillförda energin gör att partiklarnas temperatur ökar, de smälter på ytan och klumpar ihop sig till större och större strukturer, som svalnar snabbt vid kontakt med den omgivande svala vätskan. Temperaturen som partiklarna når bestäms av många faktorer, inklusive energin hos fotonerna som emitteras av lasern, strålens intensitet, frekvensen och längden på pulserna och till och med storleken på agglomeraten i suspension.
"Beroende på vilken temperatur agglomeraten uppnår kan olika kemiska reaktioner ske i materialet förutom förändringar av rent strukturell karaktär. I vår forskning har vi fokuserat på den mest exakta teoretiska och experimentella analysen av de fysikaliska och kemiska fenomenen i suspensioner i vilka pulser av laserljus absorberades av nanopartiklar av koppar och dess oxider", förklarar Dr. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).
När det gäller riktiga lösningspartiklar sker temperaturökningen i nanosekunder, för snabbt för att kunna mätas. I denna situation blev teoretiska molekylära dynamikanalyser det första steget för att förstå kopparsystemen som studeras, med stöd i senare skeden av simuleringar utförda av datorklustret Prometheus från Krakow.
Tack vare dessa bestämde forskarna till vilka temperaturer agglomeraten av olika storlekar skulle värmas upp och vilka föreningar som kunde bildas i dessa processer. Dessutom kontrollerade de om dessa föreningar skulle vara termodynamiskt stabila eller genomgå ytterligare transformationer. Fysikerna använde kunskapen för att förbereda en serie experiment där nanopartiklar av koppar och dess oxider laserfuserades i olika proportioner.
De erhållna kompositmaterialen testades bland annat i laboratorierna i IFJ PAN och i Krakow SOLARIS cyklotron för att bestämma graden av oxidation av kopparföreningar. Den information som erhölls gjorde det möjligt för forskarna att identifiera den optimala katalysatorn. Detta visade sig vara ett trekomponentsystem byggt av lämpliga proportioner av koppar och dess oxider av det första och andra oxidationstillståndet (dvs Cu2 O och CuO).
"Från etanolkatalysens effektivitet var den avgörande upptäckten att partiklar av kopparoxid Cu2 O3 , som vanligtvis är termodynamiskt mycket instabil, fanns i vårt material. Å ena sidan kännetecknas de av en extremt hög grad av oxidation, å andra sidan hittade vi dem främst på ytan av Cu2 O-partiklar, vilket i praktiken betyder att de hade mycket god kontakt med lösningen. Det är dessa Cu2 O3 partiklar som underlättar adsorptionen av alkoholmolekylerna och brytningen av kol-vätebindningarna i dem", säger Dr. Shakeri.
Tester på egenskaperna hos katalysatorn som producerats av Krakow-fysikerna slutade med optimistiska resultat. Den valda kompositen behöll förmågan att helt oxidera etanol även efter flera timmars användning. Dessutom visade sig dess elektrokatalytiska effektivitet vara jämförbar med den hos samtida platinakatalysatorer.
Ur ett vetenskapligt perspektiv är detta resultat positivt häpnadsväckande. Katalys fortskrider i allmänhet effektivare ju större ytarea agglomeraten har, vilket har att göra med fragmenteringen av deras struktur. Den studerade kompositen var dock inte nanometer stor, utan flera storleksordningar större, submikron stor. Det verkar därför troligt att om fysiker lyckas minska storleken på partiklarna i framtiden, kan effektiviteten hos den nya katalysatorn öka ytterligare.
Mer information: Mohammad Sadegh Shakeri et al, Alternativ lokal smältning-solidifiering av suspenderade nanopartiklar för bildning av heterostruktur som möjliggörs av pulsad laserbestrålning, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin
