211service.com
Effektive ethanolbrændselsceller
Bærbare brændselsceller drevet direkte af ethanol kan snart være praktiske takket være en ny katalysator, der bryder en stærk binding i hjertet af ethanolmolekyler, frigør elektroner og genererer elektricitet. Sådanne brændselsceller kunne erstatte batterier i bærbare computere og mobiltelefoner og kunne i sidste ende bruges til at drive elektriske køretøjer.
Nanokraft: Tinoxidnanopartikler (ovenfor) danner grundlaget for en ny katalysator til ethanolbrændselsceller.
Ethanolbrændselsceller kunne være langt mere effektive end konventionelle ethanoldrevne motorer. De kunne også være mere praktiske end brintbrændselsceller, da ethanol er lettere at opbevare og transportere end brint. Men forskere havde ikke været i stand til at skabe en god katalysator til at oxidere ethanol for at gøre sådanne brændselsceller mulige.
Tidligere katalysatorer omdannede ethanol til eddikesyre og acetaldehyd, en proces, der frigiver kun et par elektroner pr. ethanolmolekyle, og derfor genererer lave strømme. Nedbrydning af ethanolmolekyler yderligere for at producere kuldioxid ville frigive langt flere elektroner (i alt 12 pr. ethanolmolekyle) og generere højere strømme, men det kræver at bryde en stærk binding mellem to kulstofatomer. For at bryde denne binding var forskerne nødt til at anvende høje spændinger, hvilket gjorde processen ineffektiv: Næsten al den spænding, der blev produceret ved at oxidere ethanolen, blev brugt til at opretholde reaktionen, hvilket reducerede nettoeffekten til et dryp, siger Manos Mavrikakis, professor i kemisk og biologisk ingeniørarbejde ved University of Wisconsin-Madison.
Den nye katalysator, udviklet af forskere ved Brookhaven National Laboratory, bryder kulstofbindingerne uden høje spændinger og frigiver effektivt nok elektroner til at producere elektriske strømme 100 gange højere end dem, der produceres med andre katalysatorer. Det næste skridt er at inkorporere katalysatoren i en brændselscelle, så dens ydeevne kan sammenlignes med andre katalysatorers ydeevne i brændselsceller, siger Brian Pivovar, en videnskabsmand ved National Renewable Energy Laboratory, i Golden, CO, som ikke var involveret i forskningen.
I indledende test uden for en brændselscelle producerede katalysatoren effektivt strømme på 7,5 milliampere pr. kvadratcentimeter. Radoslav Adzic , den seniorkemiker ved Brookhaven National Laboratory, der ledede arbejdet, siger, at han er næsten sikker på, at katalysatoren, når den er indbygget i en brændselscelle, vil producere elektriske strømme i intervallet hundredvis af milliampere pr. kvadratcentimeter. Pivovar siger, at det skøn virker rimeligt. Dette strømniveau, ganget med den forventede spænding produceret af cellen, ville sætte ethanolbrændselsceller i samme område som methanoldrevne brændselsceller, hvilket producerer nok strøm til bærbar elektronik. Ethanol er at foretrække frem for methanol på flere måder: det lagrer mere energi, er mindre giftigt og er lettere at fremstille fra vedvarende kilder. For at drive køretøjer og konkurrere med brintbrændselscellers ydeevne skal katalysatoren og brændselscellen forbedres. Strømmene skal være langt over 1.000 milliampere per kvadratcentimeter, siger Andy Herring , professor i kemiteknik ved Colorado School of Mines, i Golden, CO.
For at fremstille katalysatoren afsatte Adzic små klynger af platin og rhodium på tinoxidnanopartikler. I tidligere undersøgelser havde rhodium vist sig at bryde bindinger mellem kulstofatomer, men kun hvis det fordampede ved høje temperaturer i et ultrahøjt vakuum. Kombinationen af rhodium med tinoxidet tillod det at bryde disse bindinger som et fast stof og ved de relativt lave temperaturer, der er nødvendige for bærbare brændselsceller. Platin spiller en nøglerolle i produktionen af protoner og elektroner fra brintatomer i ethanol.
Der er betydelige udfordringer tilbage, før katalysatoren kan kommercialiseres i ethanolbrændselsceller. Ud over at stå over for udfordringerne med at inkorporere det i brændselsceller og konstruere disse til at producere elektricitet effektivt ved høje strømme, bliver forskerne nødt til at finde måder at reducere omkostningerne på. Rhodium er det dyreste ædelmetal - det er endnu dyrere end platin - så det skal enten udskiftes med et andet element, eller der skal udvikles teknikker til at reducere mængden af rhodium, der kræves.
Alligevel er den nye katalysator en væsentlig forbedring i forhold til tidligere forsøg. At bryde carbon-carbon-bindingen ved lave temperaturer er et ekstremt hårdt problem, siger Herring. Det faktum, at [Adzic] bryder det bånd, er ret spændende. Men han tilføjer, at det kun er et skridt på vejen mod denne drøm om en direkte ethanolbrændselscelle.