Extract van een gewoon keukenkruid kan de sleutel zijn tot groenere, efficiëntere brandstofcellen

Kurkuma, een specerij die in de meeste keukens wordt aangetroffen, heeft een extract dat kan leiden tot veiligere, efficiëntere brandstofcellen.

Onderzoekers van het Clemson Nanomaterials Institute (CNI) en hun medewerkers van het Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) in India hebben een nieuwe manier ontdekt om curcumine – de stof in kurkuma – en gouden nanodeeltjes te combineren om een ​​elektrode te maken die 100 keer nodig is minder energie om ethanol efficiënt om te zetten in elektriciteit.

Hoewel het onderzoeksteam meer moet testen, brengt de ontdekking de vervanging van waterstof als grondstof voor brandstofcellen een stap dichterbij.

“Van alle katalysatoren voor alcoholoxidatie in alkalisch medium, is degene die we tot nu toe hebben bereid de beste”, zegt Apparao Rao, oprichter van CNI en de RA Bowen-hoogleraar natuurkunde aan het College of Science.

Brandstofcellen wekken elektriciteit op door een chemische reactie in plaats van verbranding. Ze worden gebruikt voor het aandrijven van voertuigen, gebouwen, draagbare elektronische apparaten en noodstroomsystemen.

Waterstofbrandstofcellen zijn zeer efficiënt en produceren geen broeikasgassen. Hoewel waterstof het meest voorkomende chemische element in het universum is, moet het worden afgeleid van stoffen zoals aardgas en fossiele brandstoffen, omdat het van nature alleen op aarde voorkomt in samengestelde vorm met andere elementen in vloeistoffen, gassen of vaste stoffen. De noodzakelijke winning draagt ​​bij aan de kosten en de milieu-impact van waterstofbrandstofcellen.

Bovendien is waterstof dat in brandstofcellen wordt gebruikt een gecomprimeerd gas, wat een uitdaging vormt voor opslag en transport. Ethanol, een alcohol gemaakt van maïs of ander agrarisch voer, is veiliger en gemakkelijker te transporteren dan waterstof omdat het een vloeistof is.

“Om er een commercieel product van te maken waar we onze tanks met ethanol kunnen vullen, moeten de elektroden zeer efficiënt zijn”, zegt Lakshman Ventrapragada, een voormalig student van Rao die als onderzoeksassistent bij het CNI werkte en een alumnus van SSSIHL is. “Tegelijkertijd willen we geen erg dure elektroden of synthetische polymere substraten die niet milieuvriendelijk zijn, omdat dat het hele doel teniet doet. We wilden kijken naar iets groens voor het brandstofcelgeneratieproces en het maken van de brandstofcel zelf .”

De onderzoekers richtten zich op de anode van de brandstofcel, waar de ethanol of andere voedingsbron wordt geoxideerd.

Brandstofcellen gebruiken op grote schaal platina als katalysator. Maar platina lijdt aan vergiftiging vanwege reactietussenproducten zoals koolmonoxide, zei Ventrapragada. Het is ook kostbaar.

De onderzoekers gebruikten goud als katalysator. In plaats van geleidende polymeren, metaal-organische raamwerken of andere complexe materialen te gebruiken om het goud op het oppervlak van de elektrode af te zetten, gebruikten de onderzoekers curcumine vanwege zijn structurele uniciteit. Curcumine wordt gebruikt om de gouden nanodeeltjes te versieren om ze te stabiliseren, waardoor een poreus netwerk rond de nanodeeltjes wordt gevormd. Onderzoekers deponeerden het curcumine-gouden nanodeeltje op het oppervlak van de elektrode met een 100 keer lagere elektrische stroom dan in eerdere studies.

Zonder de curcumine-coating agglomereren de gouden nanodeeltjes, waardoor het oppervlak dat wordt blootgesteld aan de chemische reactie wordt verminderd, zei Ventrapragada.

“Zonder deze curcumine-coating zijn de prestaties slecht”, zei Rao. “We hebben deze coating nodig om te stabiliseren en een poreuze omgeving rond de nanodeeltjes te creëren, en dan doen ze super werk met alcoholoxidatie.

“Er is een grote duw in de industrie voor alcoholoxidatie. Deze ontdekking is daarvoor een uitstekende mogelijkheid. De volgende stap is om het proces op te schalen en samen te werken met een industriële medewerker die daadwerkelijk de brandstofcellen kan maken en stapels brandstofcellen kan bouwen voor de echte toepassing,” vervolgde hij.

Maar het onderzoek kan bredere implicaties hebben dan verbeterde brandstofcellen. De unieke eigenschappen van de elektrode zouden zich kunnen lenen voor toekomstige toepassingen in sensoren, supercondensatoren en meer, zei Ventrapragada.

In samenwerking met het SSSIHL-onderzoeksteam test het team van Rao de elektrode als een sensor die zou kunnen helpen bij het identificeren van veranderingen in het niveau van dopamine. Dopamine is betrokken bij aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson en aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit. Toen leden van het onderzoeksteam urinemonsters testten die waren verkregen van gezonde vrijwilligers, konden ze dopamine meten tot het goedgekeurde klinische bereik met deze elektrode met behulp van een kosteneffectieve methode in vergelijking met de standaardmethoden die tegenwoordig worden gebruikt, zei Rao.

“In de beginfase van het project hadden we geen idee van andere toepassingen die met goud gecoate curcumine zouden kunnen ondersteunen. Maar vóór het einde van de alcoholoxidatie-experimenten waren we er redelijk zeker van dat andere toepassingen mogelijk zijn,” zei Ventrapragada. “Hoewel we geen volledig begrip hebben van wat er op atomair niveau gebeurt, weten we zeker dat curcumine de gouden nanodeeltjes stabiliseert op een manier dat het zich kan lenen voor andere toepassingen.”

Het journaal Nano-energie publiceerde de bevindingen in een paper met de titel “Groene synthese van een nieuw poreus goud-curcumine nanocomposiet voor superefficiënte alcoholoxidatie.”