Energia a fémek királyából

Az üzemanyagcella-katalizátor alakjának megváltoztatása drámaian növeli a hatékonyságot és csökkenti a költségeket

2017. március 03., péntek, 06:00

Címkék: energiatakarékosság megújuló energia UCLA üzemanyag villamos energia

A narancssárga Kalifornia egyeteme által vezetett nemzetközi csapat bebizonyította, hogy a nanoméretű platinaszál felületének simáról egyenetlenre változtatása drámaian csökkenti az üzemanyagcellákban katalizátorként alkalmazott nemesfém szükséges mennyiségét – és ezzel párhuzamosan a költségeket. A Kaliforniai Egyetem (UCLA) és a Kaliforniai Műszaki Egyetem kutatói által kifejlesztett módszer 50-szer kevesebb platinát igényel.

Az üzemanyagcellák (hivatalos kémiai elnevezésükben tűzelőanyag-elemek) a hidrogén és a légköri oxigén felhasználásával elektromos áramot állítanak elő, miközben melléktermékként csupán vízgőz keletkezik. A technológia következésképpen nagyon ígéretes a járművek tiszta és megújulóenergia-ellátására, figyelembe véve, hogy a belső égésű motorokban használt fosszilis tüzelőanyagok nagymértékben felelősek a globális felmelegedésért és a légköri szennyezésért. Mivel azonban a kémiai reakció beindításához általában platinát használnak katalizátorként, az üzemanyagcellák és a vele működő járművek mind ez idáig túl drágák volt a széles körű elterjedéshez.

A kutatócsoport azonban megállapította, hogy a csipkézett alakú platina nanoszálak használata jelentősen növeli a katalizátor hatékonyságát. Az egyenetlen felület új típusú, nagyon aktív helyeket hoz létre a nanoszálon, jelentősen csökkenti a reakciógátat, és felgyorsítja az oxigén redukcióját (a hidrogénmolekula szétszakadása során létrejött protonok és elektronok az oxigénnel egyesülve vizet hoznak létre). A nanoszál vékony kialakítása biztosítja, hogy a maximális mennyiségű platinaatom kerüljön a felszínre, amelyek így aktívan hozzá tudnak járulni a reakcióhoz. Mindez összességében csökkenti a felhasznált platina mennyiségét, miközben felgyorsítja a reakció hatékonyságát és növeli az elektromosenergia-termelés hatásfokát.

Az eredmények szerint az újonnan kifejlesztett katalizátor olyan aktív, hogy az üzemanyagcellákban eddig használt platina mennyiségét akár ötvenedrészére is csökkentheti.

Az egyenetlen platina nanoszálak a nikkel platina-nikkel ötvözetből történő kivonásával állnak elő

„Ez a kutatás tökéletes példa arra, hogy mi érhető el a nanoméretű anyagok atomi léptékben történő vizsgálatával, és a parányi világ szerkezeti módosításai milyen nagy hatással vannak a működő alkalmazások funkcionalitására – jelentette ki Yu Huang, az UCLA Henry Samueli Mérnöki és Alkalmazott Tudományok Iskolájának professzora. – Egy tudós számára nincs lenyűgözőbb, mint ennek a világnak a felfedezése.”

Az üzemanyagcellában a katalizátor segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra szakadnak szét. A protonok szilárd elektroliton haladnak keresztül, míg az elektronok elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, így jön létre melléktermékként a víz. A villamosenergia-termelés szűk keresztmetszete az oxigén redukciója, és a reakció felgyorsítása és az energiatermelés növelése csak katalizátorral érhető el. A jelenlegi platina katalizátorok azonban nem kellőképpen aktívak, így elengedhetetlen a viszonylag nagy mennyiségű platina használata, ami jelentősen növeli az üzemanyagcellák árát.

A kutatók egy kétlépcsős folyamat során hozták létre a platinaszálakat. Először egy hevítési folyamattal nanoszálakat alakítottak ki platina-nikkel ötvözetből. Majd egy elektrokémiai folyamat során szelektíven eltávolították a nikkelatomokat az ötvözetből, aminek eredményeképpen „fűrészfogú” tiszta platina nanoszál jött létre.

A vizsgálatok megállapították, hogy az egyenetlen nanoszálak sokkal hatékonyabbá teszik a reakciót. Ötvenszer több elektromos áramot nyertek, mint egy hasonló méretű, kereskedelmi forgalomban is kapható katalizátorral. Az egydimenziós geometria és a szaggatott felület ismétlődő ciklusokat eredményezett a reakcióban.

www.ucla.edu

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Legfrissebb
Legolvasottabb
Média Partnerek