Ερευνητές στις ΗΠΑ ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που βελτιώνει σημαντικά την απόδοση και την ανθεκτικότητα των κυψελών καυσίμου υδρογόνου, καθιστώντας τες ενδεχομένως πρακτικές για βαρέα οχήματα και εμπορικούς στόλους.
Ένας δυνατότερος καταλύτης
Η ερευνητική ομάδα στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, ένα εθνικό ερευνητικό ίδρυμα του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) που βρίσκεται στο Upton, απέδειξε ότι η ακριβής ατομική μηχανική μπορεί να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής των καταλυτών πολύ πέρα από τα υπάρχοντα όρια.
Δοκιμασμένο υπό αυστηρές συνθήκες, το νέο υλικό άντεξε περισσότερους από 90.000 κύκλους λειτουργίας, που ισοδυναμούν με 25.000 ώρες συνεχούς λειτουργίας φορτηγών, ενώ παράλληλα ξεπερνά τους τρέχοντες στόχους του DOE. Ο Xueru Zhao, PhD, ερευνητικός συνεργάτης στο τμήμα χημείας του εργαστηρίου, δήλωσε ότι τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μια πρακτική πορεία για την ανάπτυξη συστημάτων κυψελών καυσίμου ικανών να τροφοδοτήσουν τα φορτηγά και τα λεωφορεία του μέλλοντος.
«Ο καταλύτης μας όχι μόνο καλύπτει τις άμεσες ανάγκες της αγοράς, αλλά θέτει επίσης τις βάσεις για ευρεία υιοθέτηση στις βαριές μεταφορές», δήλωσε ο Zhao.
Ένας καταλύτης επόμενης γενιάς
Τα στοιχεία καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια συνδυάζοντας υδρογόνο και οξυγόνο, απελευθερώνοντας μόνο νερό ως υποπροϊόν. Αυτή η τεχνολογία λειτουργεί ήδη αξιόπιστα για τα επιβατικά αυτοκίνητα. Το ενδιαφέρον αυξάνεται για τη χρήση τους σε βαρέα οχήματα όπως λεωφορεία, φορτηγά και μεταφορές μεγάλων αποστάσεων. Ωστόσο, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι ο σχεδιασμός καταλυτών που είναι αρκετά ανθεκτικοί και αποτελεσματικοί ώστε να καλύπτουν τις απαιτήσεις τέτοιων εφαρμογών βαρέως τύπου.
«Οι καταλύτες είναι τα συστατικά που επιτρέπουν τη χημεία στα ηλεκτρόδια μέσα σε ένα στοιχείο καυσίμου», δήλωσε ο Kotaro Sasaki, PhD, χημικός στο Brookhaven και ένας από τους κύριους συγγραφείς της εργασίας.
Το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven αποκάλυψε γιατί ένας καταλύτης με διαμεταλλικό πυρήνα υψηλής εντροπίας, ενθυλακωμένος από ένα μονόστρωμα πλατίνας (Pt), δείχνει πολλά υποσχόμενος για χρήση σε στοιχεία καυσίμου για βαρέα οχήματα. Ο Sasaki αποκάλυψε ότι αυτά τα υλικά, συχνά κατασκευασμένα από μέταλλα, φέρνουν μαζί τις αντιδρώσες χημικές ουσίες και μειώνουν την ενέργεια που απαιτείται για την οδήγηση της αντίδρασης.
«Αλλά ο καταλύτης πρέπει να είναι σε θέση να εκτελεί αυτή τη λειτουργία ξανά και ξανά σε δύσκολες συνθήκες, όπως υψηλή θερμότητα ή ένα σκληρό όξινο περιβάλλον», εξήγησε.
Για να αντιμετωπίσει την πρόκληση, η ομάδα δημιούργησε έναν καταλύτη με πρόσμιξη αζώτου από ένα λεπτώς συντονισμένο μείγμα πλατίνας (Pt), κοβαλτίου (Co), νικελίου (Ni), σιδήρου (Fe) και χαλκού (Cu), το οποίο είναι ικανό να διατηρεί υψηλή απόδοση.
Ρεκόρ απόδοσης σε δοκιμές
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες προστάτευσαν τη «μεσομεταλλική δομή υψηλής εντροπίας», που πήρε το όνομά της από τη σταθερή και διατεταγμένη διάταξη πολλαπλών στοιχείων, με ένα μονοστρωματικό κέλυφος πλατίνας. Εστίασαν στο υλικό σε ατομικό επίπεδο χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ και μικροσκοπία και ανακάλυψαν ότι ο νέος καταλύτης έχει μικροσκοπικές παραμορφώσεις στην ατομική του δομή, οι οποίες προκαλούνται εν μέρει από αυτό που αποκαλούν «υπο-angstrom strain».
Αυτές οι εξαιρετικά μικροσκοπικές παραμορφώσεις, οι οποίες ήταν μικρότερες από το πλάτος ενός μόνο ατόμου, αποδείχθηκαν πολύ σημαντικές. Συνέβαλαν στη δημιουργία ισχυρών δεσμών μεταξύ των μετάλλων και του αζώτου, βελτιώνοντας τόσο την αντιδραστικότητα όσο και την ανθεκτικότητα.
Το επίτευγμα περιελάμβανε στενή συνεργασία μεταξύ των τμημάτων χημείας, φυσικής και νανοϋλικών του Brookhaven, καθώς και τη χρήση εγκαταστάσεων χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
«Αυτό είναι ένα σαφές παράδειγμα του πώς η βασική έρευνα σε ένα εθνικό εργαστήριο μπορεί να έχει αντίκτυπο στον πραγματικό κόσμο», κατέληξε ο Zhao σε δελτίο τύπου. «Αποκαλύπτοντας τους μηχανισμούς ατομικής κλίμακας που καθιστούν αυτόν τον καταλύτη τόσο αποτελεσματικό, ανοίγουμε την πόρτα σε πρακτικές τεχνολογίες που καλύπτουν τις ανάγκες της βιομηχανίας».
www.worldenergynews.gr
