Hatékonyabb üzemanyagcellák nanorészecskék alkalmazásával

A hidrogénnel táplált üzemanyagcellák jelenthetik a gépjármű hajtásláncok jövőjét - ez a technológia egyelőre azonban még nem versenyképes. Amerikai kutatók kifejlesztettek egy olyan elektrokatalizátort, amelynek segítségével növelni tudják az üzemanyagcellák hatékonyságát. A katalizátor aktív fázisát olyan nanorészecskék alkotják, amelyek magja réz-kobalt-platina ötvözetből áll. A részecskék héjában ezzel szemben javarészt platina található. Ez a katalizátor soha nem látott aktivitást mutat az oxigénmolekulák redukálásánál.

Hidrogénnel működő üzemanyagcellák valójában a durranógáz robbanásakor végbemenő reakció szelídített változatát alkalmazzák. A hidrogén és oxigénmolekulák a reakció során vízmolekulákat képeznek, miközben energia szabadul fel. Az üzemanyagcelláknak az a feladata, hogy egyrészt biztosítsák a reakció biztonságos és „lágy” végbemenetelét, másrészt pedig az energiát elektromos áram formájában bocsássák rendelkezésre. Az üzemanyagcellákban emiatt az előbb említett reakció két egymástól elkülönített térrészben megy végbe: a cella egyik részében az oxigén elektronokat vesz fel egy elektródáról (redukció), a másik részben pedig a hidrogén adja le az elektronokat (oxidáció). A cella két részét polimerelektrolit-membránok kötik össze, amelyeken keresztül az anyagcsere zajlik.

A reakció végbemeneteléhez az elektródáknak katalizátorokként kell üzemelniük. Az oxigén reakciójához évtizedek óta platina elektródákat alkalmaznak a leggyakrabban. Nemrég azonban a Peter Strasser vezette kutatócsoport a Texas államban található Houstoni Egyetemen új elektróda anyagot fejlesztett ki. Egy platina-réz-kobalt ötvözetet hoztak létre, amelyet nanorészecskék formájában szén hordozókra visznek fel.

A katalizátor aktív fázisa csak a reakció közben jön létre. Amennyiben ciklikusan változó feszültséget kötünk az elektródára, úgy a nanorészecskék felületéből kiválnak a kevésbé nemes atomok, ezen belül is főként a rézatomok. A nanorészecskék magját továbbra is a rézben gazdag ötvözet alkotja, a héj azonban szinte csak platinát tartalmaz.

Strasser állítása szerint az új katalizátor oxigén-redukálóképessége a tiszta platina négy-ötszöröse is lehet. Ezenkívül meg tudták mutatni, hogy miként lehet a katalizátort egy üzemanyagcellába integrálni és aktiválni.
Ugyanakkor nem tisztázott, hogy mi okozza az új anyag rendkívüli képességeit. A nanorészecskék segítségével megnövelt kontaktfelület ugyanis nem okozhat ilyen mértékű javulást. Strasser csapata feltételezi, hogy a nanorészecskék felületén szerkezeti átalakulások is végbemennek, amik hozzájárulnak a kedvező hatáshoz. A nanorészecskék felülete a korábban leírtak alapján platinában gazdag, ugyanakkor megfigyelések szerint a platina atomok közötti távolság itt kisebb, mint ami tiszta platinában mérhető. Az platina atomok közötti távolság a rézben és kobaltban dús mag belsejében még ennél is rövidebb. Feltehetőleg a magot alkotó ötvözet hatására sűrűsödnek össze a platinaatomok a héjban.
Ráadásul a mag befolyásolja a platinában dús héj elektromos tulajdonságait is. Elméleti meggondolások szerint ezek a hatások együttesen eredményezik, hogy az oxigén könnyebben kötődik a részecskék felületéhez és könnyebben képes redukálódni is.

(idw - Gesellschaft Deutscher Chemiker, 24.10.2007 - DLO)

Forrás: www.scinexx.de

Bárdossy Gergely