Uuden keksinnön avulla polttokennojen hinnat murto-osaan nykyisestä

Nykyisten polttokennojen valmistukseen tarvitaan 100 grammaa platinaa, joten polttokennot maksavat tuhansia euroja. Muokkaamalla platinan reaktiokykyä Houstonin yliopiston tutkijat onnistuvat vähentämään platinan tarvetta 80 prosenttia, ja toivovat pystyvänsä nipistämään sitä vielä lisää, jopa kymmenesosaan alkuperäisestä. Tämä vähentää huomattavasti polttokennojen valmistuskustannuksia.

– Tämä on merkittävä edistysaskel. Vaikka polttokennot keksittiin yli 100 vuotta sitten, ei niistä ole tullut vieläkään merkittävää teknologiaa osittain juuri platinaan liittyvien haasteiden vuoksi, sanoi tutkimusryhmän jäsen Anders Nilsson Stanfordin yliopistosta.

Polttokennot toimivat paristojen tavoin. Anodi tuottaa elektroneja, jotka katodi kerää virtapiirin toisessa päässä. Mutta toisin kuin paristot, polttokennot hyödyntävät vetyä ja happea energiaa tuottavissa reaktioissa. Metallikatodilla happimolekyyli hajoaa atomeiksi ennen kuin se muodostaa vettä vedyn kanssa.

Katodimetallin valinta on erittäin tärkeää, sillä jotkut metallit eivät pysty erottamaan happiatomeita toisistaan, kun taas toiset sitovat happiatomit niin tiukasti, että ne eivät pääse muodostamaan vettä. Tutkijat etsivätkin tilaa, jossa happimolekyylejä hajoaisi maksimimäärä, mutta vapaita happiatomeita ei sidottaisi liian tiukasti katalyyttiin. Parhaaseen tulokseen on päästy platinalla, joka kuitenkin tekee polttokennoista todella kalliita.

Vuonna 2005 Houstonin yliopiston tutkija Peter Strasser alkoi pohtia ratkaisua platinaongelmaan. Muut tutkijat olivat etsineet platinaa korvaavaa metallia, mutta Strasser päätti yrittää parantaa platinan reaktiokykyä.

Tämän tehdäkseen Strasser kollegoineen yhdisti platinaan tietyn määrän kuparia saadakseen aikaan platina-kupariseoksen. Sen jälkeen kupari poistettiin seoksen pintakerroksesta. Kun tutkijat tämän jälkeen testasivat metallin sidontaominaisuuksia, he havaitsivat sen olevan selvästi reaktiivisempaa kuin tavallinen platina.

Selvittääkseen miksi näin on, Strasser ja Nilsson kollegoineen altistivat näytteet erittäin voimakkaille röntgensäteille. Tutkimalla kuinka röntgensäteet siroavat näytteistä, he pystyivät luomaan yksityiskohtaisen kuvan metallin sisäisestä rakenteesta. Tällöin havaittiin, että kasvanut reaktiivisuus johtui hilajännitteestä, eli ilmiöstä, jossa platina-atomien keskinäinen järjestys on muuttunut. Puristamalla pintakerroksen platina-atomeja lähemmäs toisiaan prosessi aiheutti sen, että platina-atomit sitoutuvat hieman heikommin happiatomeihin. Näin päästiin hieman lähemmäs optimaalista tasapainoa molekyylien hajoamisen ja katalyytin sitomisen välillä.

– Kahden atomin välinen etäisyys vaikuttaa niiden elektroniseen rakenteeseen. Muuttamalla atomien etäisyyttä voimme vaikuttaa siihen, kuinka voimakkaasti ne muodostavat sidoksia, Strasser sanoi.

Uusi polttokennomenetelmä julkaistiin Nature Chemistry -lehdessä. Seuraavaksi tiedemiehet aikovat tutkia vielä tarkemmin platinan ja hapen välisiä reaktioita selvittääkseen, miten prosessi saataisiin entistä tehokkaammaksi. Lopullinen päämäärä on kehittää potentiaalinen polttomoottorin ja elektronisten laitteiden paristojen korvaaja.

CO2 raportti