Nieuwe methode voor het ontwerpen van kleine 3D-materialen kan brandstofcellen efficiënter maken

Wetenschappers van UNSW Sydney hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd voor het maken van kleine 3D-materialen die brandstofcellen zoals waterstofbatterijen uiteindelijk goedkoper en duurzamer kunnen maken.

In de studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitganglaten onderzoekers van de School of Chemistry van UNSW Science zien dat het mogelijk is om achtereenvolgens onderling verbonden hiërarchische structuren in 3D op nanoschaal te “groeien”, die unieke chemische en fysische eigenschappen hebben om energieconversiereacties te ondersteunen.

In de chemie zijn hiërarchische structuren configuraties van eenheden zoals moleculen binnen een organisatie van andere eenheden die zelf geordend kunnen zijn. Vergelijkbare verschijnselen zijn te zien in de natuurlijke wereld, zoals in bloembladen en boomtakken. Maar waar deze structuren een buitengewoon potentieel hebben, is op een niveau dat het zicht van het menselijk oog te boven gaat – op nanoschaal.

Met behulp van conventionele methoden hebben wetenschappers het een uitdaging gevonden om deze 3D-structuren met metalen componenten op nanoschaal te repliceren. Om te begrijpen hoe klein deze kleine 3D-materialen moeten zijn: in één centimeter zijn er 10 millimeter. Als je een miljoen kleine segmenten zou tellen in slechts één van die millimeters, zou elk daarvan één nanometer of nm zijn.

“Tot op heden zijn wetenschappers in staat geweest om hiërarchische structuren op micrometer- of moleculaire schaal samen te stellen”, zegt professor Richard Tilley, directeur van de Electron Microscope Unit bij UNSW en senior auteur van het onderzoek. “Maar om het precisieniveau te krijgen dat nodig is om op nanoschaal te assembleren, moesten we een geheel nieuwe bottom-up-methodologie ontwikkelen.”

De onderzoekers gebruikten chemische synthese, een benadering die complexe chemische verbindingen construeert uit eenvoudigere. Ze waren in staat om zorgvuldig hexagonale kristalgestructureerde nikkeltakken te laten groeien op kubische kristalgestructureerde kernen om 3D-hiërarchische structuren te creëren met afmetingen van ongeveer 10-20 nanometer.

De resulterende onderling verbonden 3D-nanostructuur heeft een groot oppervlak, een hoge geleidbaarheid door de directe verbinding van een metalen kern en takken, en heeft oppervlakken die chemisch kunnen worden gemodificeerd. Deze eigenschappen maken het een ideale ondersteuning voor elektrokatalysatoren – een stof die de reactiesnelheid helpt versnellen – bij de zuurstofevolutiereactie, een cruciaal proces bij energieomzetting. De eigenschappen van de nanostructuur werden onderzocht met behulp van elektrochemische analyse van ultramoderne elektronenmicroscopen van de Electron Microscope Unit.

“Het stap voor stap laten groeien van het materiaal staat in contrast met wat we doen om structuren op micrometerniveau in elkaar te zetten, wat begint met bulkmateriaal en het wegetst”, zegt de hoofdauteur van de studie Dr. Lucy Gloag, een postdoctoraal onderzoeker aan de School of Chemistry, UNSW-wetenschap. “Deze nieuwe methode stelt ons in staat om uitstekende controle te hebben over de omstandigheden, waardoor we alle componenten ultraklein kunnen houden – op nanoschaal – waar de unieke katalytische eigenschappen bestaan.”

Nanokatalysatoren in brandstofcellen

In conventionele katalysatoren, die vaak bolvormig zijn, zitten de meeste atomen vast in het midden van de bol. Er zijn maar heel weinig atomen aan het oppervlak, wat betekent dat het meeste materiaal wordt verspild omdat het niet kan deelnemen aan de reactieomgeving.

Deze nieuwe 3D-nanostructuren zijn ontworpen om meer atomen bloot te stellen aan de reactieomgeving, wat een efficiëntere en effectievere katalyse voor energieconversie mogelijk maakt, zegt prof. Tilley.

“Als dit wordt gebruikt in een brandstofcel of batterij, betekent een groter oppervlak voor de katalysator dat de reactie efficiënter zal zijn bij het omzetten van waterstof in elektriciteit”, zegt prof. Tilley.

Dr. Gloag zegt dat het betekent dat er minder materiaal nodig is voor de reactie.

“Het zal uiteindelijk ook de kosten verlagen, waardoor de energieproductie duurzamer wordt en uiteindelijk onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verder wegschuift.”

In de volgende onderzoeksfase zullen de wetenschappers proberen het oppervlak van het materiaal te modificeren met platina, een superieur katalytisch metaal, hoewel duurder. Ongeveer een zesde van de kosten van een elektrische auto alleen al bestaat uit het platina dat de brandstofcel aandrijft.

“Deze uitzonderlijk hoge oppervlakken zouden een materiaal als platina ondersteunen om in afzonderlijke atomen op te worden aangebracht, dus we hebben absoluut het beste gebruik van deze dure metalen in een reactieomgeving”, zegt prof. Tilley.