Исследователи из Института наноматериалов Клемсона (CNI) и их коллеги из Института высшего образования Шри Сатья Саи (SSSIHL) в Индии обнаружили новый способ сочетания куркумина - вещества, содержащегося в куркуме, - и наночастиц золота для создания электрода, который требует в 100 раз меньше энергии для эффективного преобразования этанола в электричество.

В то время как исследовательская группа должна провести дополнительные испытания, это открытие приближает замену водорода в качестве сырья для топливных элементов на один шаг.

"Из всех катализаторов для окисления спирта в щелочной среде тот, который мы приготовили, на сегодняшний день является лучшим", - сказал Гао Рао, директор-основатель CNI и профессор физики Р. А. Боуэна в Колледже науки.

Топливные элементы вырабатывают электричество в результате химической реакции вместо горения. Они используются для питания транспортных средств, зданий, портативных электронных устройств и резервных систем электроснабжения.

Водородные топливные элементы обладают высокой эффективностью и не выделяют парниковых газов. Хотя водород является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной, он должен быть получен из таких веществ, как природный газ и ископаемое топливо, поскольку в природе он встречается на Земле только в соединенной форме с другими элементами в жидкостях, газах или твердых телах. Необходимая экстракция увеличивает стоимость водородных топливных элементов и воздействие на окружающую среду.

Кроме того, водород, используемый в топливных элементах, представляет собой сжатый газ, что создает проблемы при хранении и транспортировке. Этанол, спирт, изготовленный из кукурузы или других сельскохозяйственных кормов, безопаснее и легче транспортируется, чем водород, поскольку он представляет собой жидкость.

"Чтобы сделать это коммерческим продуктом, в котором мы можем наполнять наши резервуары этанолом, электроды должны быть высокоэффективными", - сказал Лакшман Вентрапрагада, бывший студент Рао, который работал научным сотрудником в CNI и является выпускником SSSIHL. "В то же время нам не нужны очень дорогие электроды или синтетические полимерные подложки, которые не являются экологически чистыми, потому что это сводит на нет всю цель. Мы хотели взглянуть на что-то экологичное для процесса генерации топливных элементов и изготовления самого топливного элемента ".

Исследователи сосредоточились на аноде топливного элемента, где окисляется этанол или другой источник питания.

Топливные элементы широко используют платину в качестве катализатора. Но платина страдает от отравления из-за промежуточных продуктов реакции, таких как монооксид углерода, сказал Вентрапрагада. Это также дорого обходится.

Исследователи использовали золото в качестве катализатора. Вместо использования проводящих полимеров, металлорганических каркасов или других сложных материалов для нанесения золота на поверхность электрода исследователи использовали куркумин из-за его структурной уникальности. Куркумин используется для украшения наночастиц золота, чтобы стабилизировать их, образуя пористую сеть вокруг наночастиц. Исследователи нанесли наночастицу куркуминового золота на поверхность электрода при электрическом токе в 100 раз меньшем, чем в предыдущих исследованиях.

По словам Вентрапрагады, без покрытия куркумином наночастицы золота агломерируются, сокращая площадь поверхности, подверженной химической реакции.

"Без этого покрытия из куркумина производительность оставляет желать лучшего", - сказал Рао. "Нам нужно это покрытие, чтобы стабилизировать и создать пористую среду вокруг наночастиц, а затем они отлично справляются с окислением спирта.

"В промышленности наблюдается большой толчок к окислению спирта. Это открытие является отличным средством для этого. Следующим шагом является масштабирование процесса и сотрудничество с промышленным партнером, который действительно может производить топливные элементы и создавать пакеты топливных элементов для реального применения", - продолжил он.

Но исследование может иметь более широкие последствия, чем усовершенствованные топливные элементы. По словам Вентрапрагады, уникальные свойства электрода могут найти применение в будущих сенсорах, суперконденсаторах и многом другом.

В сотрудничестве с исследовательской группой SSSIHL команда Рао тестирует электрод в качестве датчика, который может помочь определить изменения в уровне дофамина. Дофамин был вовлечен в такие расстройства, как болезнь Паркинсона и синдром дефицита внимания и гиперактивности. По словам Рао, когда члены исследовательской группы протестировали образцы мочи, полученные от здоровых добровольцев, они смогли измерить уровень дофамина в одобренном клиническом диапазоне с помощью этого электрода, используя экономически эффективный метод по сравнению со стандартными, используемыми сегодня.

"На начальных этапах проекта мы не представляли себе других применений, которые мог бы поддерживать покрытый золотом куркумин. Однако до окончания экспериментов по окислению спирта мы были достаточно уверены, что возможны и другие применения", - сказал Вентрапрагада. "Хотя у нас нет полного понимания того, что происходит на атомном уровне, мы точно знаем, что куркумин стабилизирует наночастицы золота таким образом, что он может найти применение в других областях".