В отличие от литиевых батарей, технология топливных элементов основана на химических реакциях, приводимых в действие катализатором, для получения энергии. Литиевые батареи обычно могут достигать дальности 100-300 миль на одной зарядке, но они также уязвимы из-за высокой стоимости катодных материалов и изготовления и требуют нескольких часов для зарядки. В качестве альтернативы, системы на топливных элементах используют преимущества богатых элементов, таких как кислород и водород, и могут преодолевать более 400 миль на одной зарядке, что можно сделать менее чем за пять минут. К сожалению, катализаторы, используемые для приведения в действие их реакций, изготовлены из материалов, которые либо слишком дороги (например, платина), либо слишком быстро разлагаются, чтобы быть практичными.

То есть до сих пор. С разработкой нового присадочного материала ученые могут сделать недорогой железо-азотно-углеродный катализатор топливных элементов более долговечным. Добавляемый в химические реакции материал присадки защищает системы топливных элементов от двух наиболее агрессивных побочных продуктов: нестабильных частиц, таких как атомы, молекулы или ионы, называемых свободными радикалами, и перекиси водорода.

Результаты их экспериментов опубликованы в журнале science journal Природная энергия.

Реза Шахбазян-Яссар, профессор машиностроения и промышленной инженерии в Инженерном колледже UIC, и его коллеги использовали передовые методы визуализации для исследования реакций с материалом, добавкой, состоящей из наночастиц оксида тантала-титана, которые поглощают и дезактивируют свободные радикалы. Изображение атомных структур с высоким разрешением позволило ученым определить структурные параметры, необходимые для работы добавки.

"В нашей лаборатории мы можем использовать электронную микроскопию для получения высокодетализированных изображений материалов с атомным разрешением в различных условиях эксплуатации", - сказал соавтор исследования Шахбазян-Ясар. "Благодаря нашим структурным исследованиям мы узнали, что происходит в атомной структуре добавок, и смогли определить размер наночастиц-поглотителей, соотношение тантала и оксида титана. Это привело к пониманию правильного состояния твердого раствора сплава, необходимого для добавки для защиты топливного элемента от коррозии и деградации".

Эксперименты показали, что требуется твердый раствор тантала и оксида титана и что наночастицы должны быть размером около пяти нанометров. Эксперименты также показали, что требуется соотношение тантала и оксида титана 6-4.

"Это соотношение является ключом к радикальным поглощающим свойствам материала наночастиц, а твердотельный раствор помог сохранить структуру окружающей среды", - сказал Шахбазян-Ясар.

Эксперименты показали, что при добавлении материала из наночастиц-поглотителей в реакции систем топливных элементов выход перекиси водорода снижался до менее чем 2% - снижение на 51% - и распад плотности тока топливных элементов уменьшался с 33% всего до 3%.

"Топливные элементы являются привлекательной альтернативой батареям из-за их большей дальности хода, возможности быстрой подзарядки, меньшего веса и объема, при условии, что мы сможем найти более экономичные способы разделения и хранения водорода", - сказал Шахбазян-Ясар. "В этой статье мы сообщаем о подходе, который значительно приближает нас к превращению транспортных средств на топливных элементах и других технологий на топливных элементах в реальность".

Министерство энергетики США, Национальный научный фонд и Наноцентр штата Мэриленд поддержали это исследование.