211service.com
Efficiënte ethanolbrandstofcellen
Draagbare brandstofcellen die rechtstreeks door ethanol worden aangedreven, kunnen binnenkort praktisch worden dankzij een nieuwe katalysator die een sterke binding in het hart van ethanolmoleculen verbreekt, elektronen vrijmaakt en elektriciteit opwekt. Dergelijke brandstofcellen zouden batterijen in laptops en mobiele telefoons kunnen vervangen en zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt om elektrische voertuigen van stroom te voorzien.
Nano-kracht: Tinoxide nanodeeltjes (hierboven) vormen de basis van een nieuwe katalysator voor ethanol brandstofcellen.
Brandstofcellen op ethanol zouden veel efficiënter kunnen zijn dan conventionele motoren op ethanol. Ze kunnen ook praktischer zijn dan waterstofbrandstofcellen, aangezien ethanol gemakkelijker op te slaan en te transporteren is dan waterstof. Maar onderzoekers waren er niet in geslaagd een goede katalysator te creëren voor het oxideren van ethanol om dergelijke brandstofcellen mogelijk te maken.
Eerdere katalysatoren zetten ethanol om in azijnzuur en aceetaldehyde, een proces waarbij slechts een paar elektronen per ethanolmolecuul vrijkomen en daarom lage stromen genereren. Het verder afbreken van ethanolmoleculen om koolstofdioxide te produceren, zou veel meer elektronen vrijgeven (in totaal 12 per ethanolmolecuul) en hogere stromen genereren, maar daarvoor moet een sterke binding tussen twee koolstofatomen worden verbroken. Om deze binding te verbreken, moesten onderzoekers hoge spanningen toepassen, waardoor het proces inefficiënt werd: bijna alle spanning die werd geproduceerd door de oxidatie van de ethanol werd gebruikt om de reactie in stand te houden, waardoor het netto vermogen tot een straaltje gereduceerd werd, zegt Manos Mavrikakis, hoogleraar chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison.
De nieuwe katalysator, ontwikkeld door onderzoekers van Brookhaven National Laboratory, verbreekt de koolstofbindingen zonder hoge spanningen, waardoor op efficiënte wijze voldoende elektronen vrijkomen om elektrische stromen te produceren die 100 keer hoger zijn dan die geproduceerd met andere katalysatoren. De volgende stap is om de katalysator in een brandstofcel op te nemen, zodat de prestaties kunnen worden vergeleken met die van andere katalysatoren in brandstofcellen, zegt Brian Pivovar, een wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, die niet betrokken bij het onderzoek.
In eerste tests buiten een brandstofcel produceerde de katalysator efficiënt stromen van 7,5 milliampère per vierkante centimeter. Radoslav Adzic , de senior chemicus bij Brookhaven National Laboratory die het werk leidde, zegt dat hij er bijna zeker van is dat de katalysator, eenmaal ingebouwd in een brandstofcel, elektrische stromen zal produceren in het bereik van honderden milliampère per vierkante centimeter. Pivovar zegt dat die schatting redelijk lijkt. Dit stroomniveau, vermenigvuldigd met de verwachte spanning die door de cel wordt geproduceerd, zou ethanolbrandstofcellen in hetzelfde bereik plaatsen als brandstofcellen op methanol, waardoor er voldoende stroom wordt geproduceerd voor draagbare elektronica. Ethanol heeft op verschillende manieren de voorkeur boven methanol: het slaat meer energie op, is minder giftig en is gemakkelijker te maken uit hernieuwbare bronnen. Om voertuigen aan te drijven en te concurreren met de prestaties van waterstofbrandstofcellen, zouden de katalysator en brandstofcel moeten worden verbeterd. De stromen zouden ruim boven de 1.000 milliampère per vierkante centimeter moeten zijn, zegt Andy Herring , een professor in chemische technologie aan de Colorado School of Mines, in Golden, CO.
Om de katalysator te maken, deponeerde Adzic kleine clusters van platina en rhodium op nanodeeltjes van tinoxide. In eerdere studies was aangetoond dat rhodium bindingen tussen koolstofatomen verbreekt, maar alleen als het bij hoge temperaturen in een ultrahoog vacuüm verdampt. Door de combinatie van rhodium met het tinoxide kon het deze bindingen verbreken als een vaste stof en bij de relatief lage temperaturen die nodig zijn voor draagbare brandstofcellen. Het platina speelt een sleutelrol bij de productie van protonen en elektronen uit waterstofatomen in ethanol.
Er blijven aanzienlijke uitdagingen voordat de katalysator op de markt kan worden gebracht in ethanolbrandstofcellen. De onderzoekers moeten niet alleen de uitdaging aangaan om het in brandstofcellen op te nemen en deze te engineeren om efficiënt elektriciteit te produceren bij hoge stromen, maar zullen ook manieren moeten vinden om de kosten te verlagen. Rhodium is het duurste edelmetaal - het is zelfs duurder dan platina - dus het zal ofwel moeten worden vervangen door een ander element, of er moeten technieken worden ontwikkeld om de benodigde hoeveelheid rhodium te verminderen.
Toch is de nieuwe katalysator een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere pogingen. Het verbreken van de koolstof-koolstofbinding bij lage temperaturen is een extreem moeilijk probleem, zegt Herring. Het feit dat [Adzic] die band verbreekt, is best spannend. Maar hij voegt eraan toe dat het slechts één stap is op weg naar deze droom van een directe ethanolbrandstofcel.