Deși pilele de combustibil convenționale cu hidrogen ar putea fi utilizate ca surse curate și eficiente de energie pentru vehicule și alte aplicații, acestea se bazează pe catalizatori realizați din metale prețioase, care măresc costurile de producție. În prezent, oamenii de știință au creat o pilă de combustie cu hidrogen fără metale prețioase, cu o performanță și durabilitate record și foarte accesibilă din punct de vedere al prețurilor catalizatorilor.
Hidrogenul, cel mai comun element din univers, a fost mult timp considerat o alternativă energetică curată și abundentă la combustibilii fosili și un mediu amplu de stocare pentru energia generată din surse regenerabile pentru a alimenta mașinării mari, precum trenuri, avioane și camioane. Rezultatul reacției dintre hidrogen și oxigenul din celulele de combustie este electricitate și apă.
Pentru a conduce reacțiile dintre hidrogen și oxigen care generează electricitate, pilele de combustibil standard cu hidrogen se bazează pe substanțe chimice acide și catalizatori realizați din metale prețioase, precum platina. În schimb, pilele de combustie cu electroliți polimeri alcalini se bazează pe substanțe chimice alcaline și pot folosi metale comune drept catalizatori, eliminând nevoia de metale prețioase. Cu toate acestea, celule de combustie pe hidrogen încă nu au performanța și durabilitatea celulelor de combustibil convenționale.
În prezent, oamenii de știință au dezvoltat o celulă de combustie cu electrolit polimer alcalin fără metale prețioase, cu o densitate de putere de vârf record (210 miliwați pe centimetru pătrat) și cu o putere de peste cinci ori mai mare decât iterațiile anterioare.
Noul dispozitiv se bazează pe un catalizator format dintr-un miez solid de nichel, care este înconjurat de o carcasă cu o grosime de 2 nanometri realizată din carbon dopat cu azot. Acest catalizator este situat la anod, unde hidrogenul este oxidat (cedează electroni) și este asociat cu un catalizator pe bază de cobalt-mangan la catod, unde oxigenul este redus (acceptă electroni).
Straturile de carbon al noului catalizator anodic ajută la creșterea ratei cu care hidrogenul este oxidat, iar azotul din aceste straturi de carbon poate servi drept zonă de stimulare a oxidării, sporind performanța generală a celulei de combustibil. În plus, carcasa anodului previne oxidarea nichelului și formarea de oxizi de nichel, care pot încetini dramatic oxidarea hidrogenului și pot conduce la deteriorarea catalizatorului.
De asemenea, noul catalizator este mai tolerant la monoxidul de carbon decât platina. Producția comercială de hidrogen gazos conduce adesea formarea de monoxid de carbon la nivel de urme, astfel încât o toleranță ridicată la monoxidul de carbon este esențială pentru aplicațiile practice ale pilelor de combustibil cu hidrogen.
Oamenii de știință au descoperit faptul că noua lor pilă de combustibil ar putea funcționa într-o manieră stabilă timp de peste 100 de ore. Ca și comparație, o altă celulă de combustibil fără metale prețioase, care folosește nanoparticule de nichel a încetat să funcționeze după doar 5 ore.
Oamenii de știință au adăugat faptul că o pilă de combustie convențională, cu catalizatori realizați din metale prețioase, care funcționează în condiții acide, poate furniza aproximativ 1,2 până la 1,5 wați pe centimetru pătrat, adică de aproximativ cinci până la șapte ori mai mult decât noua pilă de combustibil. „Cu toate acestea, trebuie să țineți cont de faptul că pilele de combustie acide au fost dezvoltate pe o perioadă de zeci de ani, în timp ce pilele alcaline sunt studiate de mai puțin de 10 ani. Suntem încrezători că, după o serie de optimizări, am putea ajunge la o densitate de 1 watt pe centimetru pătrat în doi până la trei ani, ceea ce ar fi o realizare majoră. În cadrul experimentelor viitoare ne vom concentra pe creșterea durabilității celulei de combustibil prin îmbunătățirea membranelor de susținere din interiorul dispozitivului. Deși aceste rezultate sunt foarte promițătoare, implementarea dispozitivelor pe scară largă va necesita ajustări suplimentare”, a declarat coautorul studiului, Héctor Abruña, electrochimist în cadrul Universității Cornell din Ithaca, New York.
