Amerikaanse wetenschappers hebben een nieuwe katalysator uitgewerkt waarmee een elektrische stroom kan worden geproduceerd die hoger is dan die opgewekt door klassiekere ethanolbrandstofcellen.
Ethanol is een ideale reactant voor brandstofcellen: het kan gemakkelijk worden geproduceerd, is niet giftig, kan gemakkelijker worden opgeslagen en getransporteerd dan waterstof en het onderscheidt zich door een aanzienlijke energiedichtheid. Met de conventionele katalysatoren kan evenwel niet voldoende elektriciteit worden geproduceerd om draagbare toestellen te voeden. Ze zetten ethanol om in azijnzuur en in acetaldehyde, wat weinig elektronen vrijgeeft per ethanolmolecule, en dus zeer zwakke stromen opwekt.
Wetenschappers verbonden aan het Nationaal Laboratorium van Brookhaven (US) ontwikkelden een ternaire katalysator die, in tegenstelling tot de gekende katalysatoren, in staat is de C-C-binding van ethanol bij lage temperatuur te verbreken, wat de CO2-oxidatie ervan en het vrijkomen van een grotere hoeveelheid elektronen mogelijk maakt. De verkregen stromen zijn daardoor heel wat hoger.
Clusters van platina-rhodium op een oppervlak van tinoxide
De nieuwe katalysator is samengesteld uit minuscule aggregaten van platina en rhodium afgezet op nanodeeltjes van tinoxide. Rhodium kan koolstof-koolstofbindingen verbreken maar enkel in dampfase bij hoge temperaturen en onder vacuüm. De combinatie van rhodium en tinoxide kan de binding verbreken in vaste fase en bij een temperatuur van rondom 60°C, wat ideaal is voor directethanolbrandstofcellen, die werken bij een temperatuur tussen 60 en 80°C. Platina op zijn beurt speelt een rol bij de productie van protonen en elektronen op basis van atomen van ethanolwaterstofatomen.
De ternaire katalysator Pt/Rh/SnO2 werkt bij een positieve potentiaal van 0,3 V terwijl de conventionele katalysatoren 0.7 V nodig hebben, en dat verhindert de toepassing ervan in brandstofcellen. Bovendien zijn de reactiesnelheden van Pt/Rh/SnO2 hoger dan die van de andere katalysatoren. In sommige omstandigheden meet men een activiteit die 100 maal groter is dan die van platina en eveneens hoger dan die van platina-ruthenium.
Tijdens tests uitgevoerd buiten een brandstofcel bereiken de stromen 7,5 mA/cm2. De volgende stap is de integratie van de katalysator in brandstofcellen met elektroden van 25 cm2 of 50 cm2, zodat de prestaties ervan kunnen worden vergeleken met die van concurrerende producten.
Over een jaar zouden de onderzoekers vastgesteld moeten hebben of de katalysator geschikt is voor de voeding van draagbare elektronische toestellen, en binnen twee à drie jaar of autotoepassingen mogelijk zijn.
De belangrijkste beperking van de katalysator is de prijs van platina en rhodium. Aangezien rhodium een edelmetaal is dat nog duurder is dan platina proberen de wetenschappers dat te vervangen door een ander element, of nieuwe technieken te ontwikkelen ter vermindering van de nodige hoeveelheid rhodium.
Bovenop de scale-up en de daling van de kosten, zijn de uitdagingen die de onderzoekers moeten aangaan de verbetering van het CO2-rendement en de beoordeling van de stabiliteit van de katalysator.
Bron
