,,See on suur edusamm,” sõnas Anders Nilsson, teadlane Stanfordi Materjali- ja Energiateaduste Instituudis. ,,Kütuseelemendid leiutati rohkem kui 100 aastat tagasi. Siiski pole nad jõudnud laialdaselt kasutatavate tehnoloogiateni, seda osalt plaatinaga seotud probleemide tõttu.”
Uurimuse läbi viinud teadlased Stanfordi Sünkrotonkiirgusallika juures, vasakult: Hirohito Ogasawara, Anders Nilsson ja Mike Toney. Pilt: Kelen Tuttle
Kütuseelemendid on puhta energia suureks lootuseks kuna ainsaks kõrvalproduktiks on vesi. Praegused kütuseelementide disainid vajavad aga rohkem kui sadat grammi plaatinat, mis aga viib nende hinna tuhandete kümnete tuhandete kroonideni. Muutes plaatina reageerimisvõimet suutsid teadlased vähendada vajaminevat plaatina kogust 80 protsendi võrra ning lähiajal on neil plaanis seda veel 10 protsendi võrra vähendada. Seeläbi väheneks kütuseelementide hind oluliselt.
Kütuseelemendid töötavad nii mitmelgi moel sarnaselt patareidega – anoodist tulevad elektronid ning katood püüab need vooluringi teises otsas kinni. Kuid erinevalt patareidest kasutavad kütuseelemendid energiatootmisreaktsioonide saamiseks vesinikku ja hapnikku. Kui hapnik siseneb metallist katoodi lõhustatakse see üksikuteks aatomiteks, misjärel see moodustab vee ning vesiniku.
Katoodi valmistamise metalli valik on erakordselt oluline, sest kui mõned metallid pole suutelised hapnikku lõhustama siis teised kipuvad liigselt hapnikuaatomitega ühenduma, mistõttu neid vähem peareaktsioonini jõuab. Teadlased üritavad leida seda nn. tasakaalupunkti, kus hapnikusidemete lõhustamise arv on maksimaalne ning hapniku aatomid sidestuvad katalüsaatoriga vähimal määral. Tasakaal saavutatigi plaatinat kasutades, mis on piisavalt tugev lõhustamaks hapniku aatomeid kuid ei sidestu nendega liialt. Kahjuks see aga maksab just nii palju et plaatinast elektroodidega kütuseelemendid on lubamatult kallid.
2005. aastal hakkas Houstoni Ülikooli teadlane Peter Strasser otsima võimalusi plaatina probleemi lahendamiseks, kuid tehes seda muutes plaatinat paremini reageerivamaks.
Selleks kasutasid Strasser ja kollegid sulamist teatud komponentide eemaldamise meetodit. Esmalt kobineerisid nad plaatinat vasega saades vask-plaatina sulami. Seejärel eemaldati vask sulami pinnakihilt. Uurides nii saadud vask-plaatina sulami katalüsaatori sidestuvust avastati et see on palju reageerivam kui muidu.
Saamaks teada selle põhjust asetasid Strasser, Nilsson ning kolleegid Mike Toney ja Hirohito Ogasawara nii saadud näidised Stanfordi Sünkrotonradiatsiooniallika(SSRL) erakordselt ereda röntgenkiire alla. Uurides pinnalt hajunud röntgenkiiri oli võimalik koostada detailne kujutis metalli sisemisest struktuurist, millest selgus et suurenenud reageerivuse põhjuseks oli võrepinge – nähtus, kus plaatina aatomite asetus on nihkes. Plaatina pinnaaatomeid kokku surudes sidestuvad plaatina aatomid veidi vähem hapniku aatomitega ning on seetõttu sammuke lähemal sellele tasakaalupunktile molekulide dissotsiatsiooni ning katalüütilise sidustumise vahel.
,,Kaugus kahe naaberaatomi vahel mõjutab nende elektroonilist struktuuri,” selgitas Strasser. ,,Muutes aatomitevahelisi kaugusi on võimalik manipuleerida tekkivate sidemete arvu.”
Järgnevalt tahavad teadlased kasutada SSRL kiiri et saada parem ülevaade hapniku ja plaatina vahelistest reaktsioonidest ning teha kindlaks mida on võimalik teha protsessi veelgi efektiivsemaks muutmiseks. Ülim eesmärk on luua potentsiaalne asendus mitte ainult bensiinimootoritele vaid ka väikeelektroonikaseadmetes leiduvatele patareidele.
Allikas: Artikkel lehel sciencedaily.com
Teadusartikkel:
Peter Strasser, Shirlaine Koh, Toyli Anniyev, Jeff Greeley, Karren More, Chengfei Yu, Zengcai Liu, Sarp Kaya, Dennis Nordlund, Hirohito Ogasawara, Michael F. Toney, Anders Nilsson. Lattice-strain control of the activity in dealloyed core%u2013shell fuel cell catalysts. Nature Chemistry, 2010; DOI: 10.1038/nchem.623