Μια πρόσφατα αποκαλυφθείσα αρχιτεκτονική καταλύτη έχει σχεδιαστεί για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χαμηλής θερμοκρασίας. Η ανάπτυξη θα μπορούσε να λύσει έναν μακροχρόνιο συμβιβασμό στην τεχνολογία καθαρής ενέργειας: τη διατήρηση σταθερών ακριβών καταλυτών πλατίνας χωρίς να καταστρέφεται η ισχύς εξόδου τους.
Οι νέες δοκιμές
Σε δοκιμές, οι ερευνητές με επικεφαλής τον Gang Wu στο Πανεπιστήμιο Washington στο St. Louis διαπίστωσαν ότι ο καταλύτης διατηρεί υψηλή απόδοση με ελάχιστη περιεκτικότητα σε πολύτιμα μέταλλα. Είναι ενδιαφέρον ότι η τεχνολογία διατήρησε το 85% της απόδοσής της μετά από 150.000 κύκλους τάσης (περίπου ισοδύναμο με 25.000 ώρες λειτουργίας).
«Η στρατηγική μας είναι να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη νέα νανοδομή άνθρακα για να συνθέσουμε διαμεταλλικά νανοσωματίδια πλατίνας-κοβαλτίου που μπορούν να μειώσουν την περιεκτικότητα σε πολύτιμα μέταλλα και να ενισχύσουν τη δραστηριότητα και τη σταθερότητα», δήλωσε ο Wu.
Κλείστε τα νανοσωματίδια
Τα κυψέλες καυσίμου υδρογόνου παράγουν καθαρή ηλεκτρική ενέργεια συνδυάζοντας υδρογόνο και οξυγόνο, αφήνοντας πίσω μόνο θερμότητα και καθαρό νερό. Για να οδηγήσουν αποτελεσματικά αυτήν την αντίδραση, τα κυψέλες καυσίμου βασίζονται στην πλατίνα, ένα σπάνιο, ακριβό μέταλλο. Η πλατίνα είναι ένας εξαιρετικός καταλύτης για τη μετατροπή ενέργειας.
Οι μηχανικοί συρρικνώνουν την πλατίνα σε μικροσκοπικά νανοσωματίδια για να μεγιστοποιήσουν την επιφάνειά της. Λειτουργεί για να επιτύχει ισχυρή καταλυτική απόδοση με μικρές ποσότητες, αλλά μόνο για ένα χρονικό διάστημα. Υπό λειτουργική καταπόνηση, αυτά τα μικροσκοπικά νανοσωματίδια διαλύονται, παρασύρονται και συσσωματώνονται, αποικοδομώντας σταδιακά κατά τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου.
Επίσης, η θέρμανση κραμάτων πλατίνας-κοβαλτίου πάνω από 700°C δημιουργεί μια εξαιρετικά διατεταγμένη διαμεταλλική δομή που βελτιώνει δραστικά την ανθεκτικότητα. Αλλά σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, τα νανοσωματίδια συσσωματώνονται. Μικρότερα σωματίδια σημαίνουν περισσότερη δραστηριότητα. Μεγαλύτερα σωματίδια σημαίνουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες έπρεπε να επιλέξουν ένα.
Σε αυτή τη νέα εργασία, η ομάδα αποφάσισε να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα επανασχεδιάζοντας το υποκείμενο υπόστρωμα άνθρακα. Και σχεδίασε πορώδεις, κοίλες σφαίρες άνθρακα κατασκευασμένες με διατεταγμένα, ακτινικά νανοκανάλια. Αυτά τα μικροσκοπικά κλουβιά άνθρακα κλειδώνουν τα νανοσωματίδια πλατίνας-κοβαλτίου στη θέση τους.
Οι νανοδομές έχουν καλή απόδοση στις δοκιμές
Αυτή η εξειδικευμένη αρχιτεκτονική υψηλής επιφάνειας αγκυρώνει με ασφάλεια πυκνά, καλά διασκορπισμένα νανοσωματίδια πλατίνας-κοβαλτίου, επιτρέποντάς τους να αντέχουν στις υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για να σχηματίσουν μια πλήρως διατεταγμένη διαμεταλλική φάση χωρίς να συσσωματώνονται ή να χάνουν τη λεπτή διασπορά τους.
Οι τυπικές μέθοδοι περιορίζονται σε μέγιστες θερμοκρασίες θέρμανσης κάτω από 700°C και υποφέρουν από συσσωμάτωση σωματιδίων σε υψηλή θερμότητα. Η νέα προσέγγιση αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 1000°C, διατηρώντας παράλληλα ακριβή μεγέθη σωματιδίων κάτω από 5 νανόμετρα. Επιπλέον, αυτή η δομική σταθερότητα υπό υψηλή θερμότητα μεταφράζεται άμεσα σε εξαιρετική μακροζωία λειτουργίας. Είναι ενδιαφέρον ότι οι νανοδομές διατηρούν το 85% της απόδοσής τους ακόμη και μετά από 150.000 κύκλους.
Τα ανοιχτά κανάλια βοηθούν επίσης τα ιοντομερή να εξαπλώνονται ομοιόμορφα. Αυτό επιτρέπει στα πρωτόνια, το οξυγόνο και το νερό να κινούνται αβίαστα μέσω του ηλεκτροδίου κατά τη λειτουργία.
«Ως αποτέλεσμα, τα νανοσωματίδια πλατίνας-κοβαλτίου που είναι ενσωματωμένα σε αυτό το στήριγμα έδειξαν την καλύτερη απόδοση στην κατηγορία τους και μακροχρόνια ανθεκτικότητα», δήλωσε ο Wu.
Οι αυξημένες ανάγκες
Η ταχεία επέκταση των κέντρων δεδομένων των ΗΠΑ οδηγεί σε απότομη αύξηση της ζήτησης ενέργειας, με την ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας να προβλέπεται να υπερδιπλασιαστεί από 4% της συνολικής παραγωγής το 2023 σε έως και 9% έως το 2030. Για την αντιμετώπιση αυτών των αυξανόμενων αναγκών ενέργειας και ψύξης, η εμπορευματοποίηση ανθεκτικών κυψελών καυσίμου με βιομηχανικούς εταίρους προσφέρει μια βιώσιμη λύση. Θα μπορούσε να επιτρέψει στους φορείς εκμετάλλευσης εγκαταστάσεων να εξαρτώνται λιγότερο από τις τοπικές επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια επί τόπου απευθείας από υδρογόνο.
Η ομάδα στοχεύει στη συνεργασία με εταίρους του κλάδου για την επίλυση των εναπομενουσών προκλήσεων σχετικά με τους καταλύτες και την επιτάχυνση της ανάπτυξης εξαιρετικά αποδοτικών, βιώσιμων τεχνολογιών κυψελών καυσίμου.
www.worldenergynews.gr
