Το υψηλό κόστος της πλατίνας αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια για την ευρύτερη υιοθέτηση των κυψελών καυσίμου υδρογόνου. Ερευνητές του IMDEA Materials Institute ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που επιτυγχάνει παρόμοια απόδοση με την καθαρή πλατίνα, χρησιμοποιώντας 75% λιγότερο από το πολύτιμο μέταλλο.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Electrochimica Acta, βασίζεται στην εφαρμογή ελεγχόμενης μηχανικής συμπίεσης στον καταλύτη. Η διαδικασία μεταβάλλει τη δομή του σε ατομικό επίπεδο και ενισχύει την καταλυτική του δραστηριότητα.
Πώς η συμπίεση ενισχύει την αντίδραση
Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από υδρογόνο και οξυγόνο, όμως η αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου (ORR) αποτελεί ένα από τα πιο αργά στάδια της διαδικασίας.
Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν καταλύτη από κράμα χαλκού και πλατίνας (Cu₃Pt), τοποθετημένο πάνω σε υπόστρωμα από νικέλιο-τιτάνιο με ιδιότητες μνήμης σχήματος. Με μηχανική συμπίεση μικρότερη από 1%, κατάφεραν να τροποποιήσουν την ηλεκτρονική δομή του κράματος.
Οι ηλεκτροχημικές δοκιμές έδειξαν ότι ο συμπιεσμένος καταλύτης έφτασε σε δυναμικό 855 millivolts σε πυκνότητα ρεύματος 1 mA/cm², σχεδόν ίδιο με τα 856 millivolts της καθαρής πλατίνας, σε όξινο περιβάλλον με pH περίπου 1.
Δημιουργείται επιφάνεια πλούσια σε πλατίνα
Οι αναλύσεις έδειξαν επίσης ότι η ίδια η ηλεκτροχημική διαδικασία προκαλεί επιλεκτική διάλυση του χαλκού στην επιφάνεια του καταλύτη.
Έτσι δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα εμπλουτισμένο με πλατίνα, πάχους μόλις λίγων νανομέτρων. Ο συνδυασμός μηχανικής συμπίεσης και χημικής αυτοοργάνωσης επιτρέπει τη δραστική μείωση της απαιτούμενης ποσότητας πλατίνας χωρίς απώλεια στην απόδοση.
Παραμένουν προκλήσεις για τη βιομηχανική εφαρμογή
Παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα, απαιτείται περαιτέρω έρευνα πριν από την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας.
Οι επιστήμονες θα πρέπει να επιβεβαιώσουν ότι ο καταλύτης μπορεί να παραχθεί οικονομικά σε βιομηχανική κλίμακα και ότι η επίδραση της μηχανικής συμπίεσης παραμένει σταθερή κατά τη μακροχρόνια λειτουργία.
Εφόσον τα ζητήματα αυτά επιλυθούν, η συγκεκριμένη προσέγγιση θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση του κόστους και στην ευρύτερη αξιοποίηση των τεχνολογιών υδρογόνου.