211service.com
Effektiva etanolbränsleceller
Bärbara bränsleceller som drivs direkt av etanol kan snart vara praktiska, tack vare en ny katalysator som bryter en stark bindning i hjärtat av etanolmolekyler, frigör elektroner och genererar elektricitet. Sådana bränsleceller kan ersätta batterier i bärbara datorer och mobiltelefoner, och kan så småningom användas för att driva elfordon.
Nanokraft: Tennoxidnanopartiklar (ovan) utgör grunden för en ny katalysator för etanolbränsleceller.
Etanolbränsleceller kan vara mycket effektivare än konventionella etanoldrivna motorer. De kan också vara mer praktiska än vätebränsleceller, eftersom etanol är lättare att lagra och transportera än väte. Men forskare hade inte kunnat skapa en bra katalysator för att oxidera etanol för att göra sådana bränsleceller möjliga.
Tidigare katalysatorer omvandlade etanol till ättiksyra och acetaldehyd, en process som frigör bara ett par elektroner per etanolmolekyl och genererar därför låga strömmar. Att bryta ner etanolmolekyler ytterligare för att producera koldioxid skulle frigöra mycket fler elektroner (totalt 12 per etanolmolekyl) och generera högre strömmar, men det kräver att en stark bindning mellan två kolatomer bryts. För att bryta denna bindning var forskarna tvungna att applicera höga spänningar, vilket gjorde processen ineffektiv: nästan all spänning som producerades genom att oxidera etanolen användes för att upprätthålla reaktionen, vilket minskade nettoeffekten till en droppe, säger Manos Mavrikakis, professor i kemi och biologisk ingenjörskonst vid University of Wisconsin-Madison.
Den nya katalysatorn, utvecklad av forskare vid Brookhaven National Laboratory, bryter kolbindningarna utan höga spänningar, och släpper effektivt ut tillräckligt med elektroner för att producera elektriska strömmar 100 gånger högre än de som produceras med andra katalysatorer. Nästa steg är att införliva katalysatorn i en bränslecell, så att dess prestanda kan jämföras med andra katalysatorers prestanda i bränsleceller, säger Brian Pivovar, en forskare vid National Renewable Energy Laboratory, i Golden, CO, som inte var involverade i forskningen.
I inledande tester utanför en bränslecell producerade katalysatorn effektivt strömmar på 7,5 milliampere per kvadratcentimeter. Radoslav Adzic , seniorkemist vid Brookhaven National Laboratory som ledde arbetet, säger att han är nästan säker på att katalysatorn, en gång inbyggd i en bränslecell, kommer att producera elektriska strömmar i intervallet hundratals milliampere per kvadratcentimeter. Pivovar säger att den uppskattningen verkar rimlig. Denna strömnivå, multiplicerad med den förväntade spänningen som produceras av cellen, skulle sätta etanolbränsleceller i samma intervall som metanoldrivna bränsleceller, vilket ger tillräckligt med ström för bärbar elektronik. Etanol är att föredra framför metanol på flera sätt: det lagrar mer energi, är mindre giftigt och är lättare att tillverka från förnybara källor. För att driva fordon och konkurrera med vätgasbränslecellers prestanda skulle katalysatorn och bränslecellen behöva förbättras. Strömmarna skulle behöva vara långt över 1 000 milliampere per kvadratcentimeter, säger Andy Herring , professor i kemiteknik vid Colorado School of Mines, i Golden, CO.
För att göra katalysatorn deponerade Adzic små kluster av platina och rodium på tennoxidnanopartiklar. I tidigare studier har rodium visat sig bryta bindningar mellan kolatomer, men bara om det förångas vid höga temperaturer i ett ultrahögt vakuum. Kombinationen av rodium med tennoxiden tillät det att bryta dessa bindningar som ett fast material och vid de relativt låga temperaturer som behövs för bärbara bränsleceller. Platina spelar en nyckelroll för att producera protoner och elektroner från väteatomer i etanol.
Betydande utmaningar kvarstår innan katalysatorn kan kommersialiseras i etanolbränsleceller. Förutom att möta utmaningarna med att införliva det i bränsleceller och konstruera dessa för att producera el effektivt vid höga strömmar, kommer forskarna att behöva hitta sätt att minska kostnaderna. Rodium är den dyraste ädelmetallen - den är till och med dyrare än platina - så den måste antingen ersättas med ett annat element, eller så måste tekniker utvecklas för att minska mängden rodium som krävs.
Ändå är den nya katalysatorn en betydande förbättring jämfört med tidigare försök. Att bryta kol-kolbindningen vid låga temperaturer är ett extremt svårt problem, säger Herring. Det faktum att [Adzic] bryter det bandet är ganska spännande. Men han tillägger att det bara är ett steg på vägen mot denna dröm om en direkt etanolbränslecell.