Чжэньсин Фенг из инженерного колледжа ОГУ помог возглавить разработку катализатора, который решает три ключевые проблемы, давно связанные с DEFC, как известно, с ячейками: низкая эффективность, стоимость каталитических материалов и токсичность химических реакций внутри ячеек.

Фенг и его коллеги из штата Орегон, Университета Центральной Флориды и Университета Питтсбурга обнаружили, что введение атомов фтора в катализаторы палладий-азот-углерод имело ряд положительных эффектов, в том числе сохранение стабильности энергоемких элементов в течение почти 6000 часов. Катализатор - это вещество, которое увеличивает скорость реакции, не подвергаясь при этом каким-либо постоянным химическим изменениям.

Результаты были опубликованы сегодня в Природная энергия.

Легковые и грузовые автомобили, работающие на бензиновых или дизельных двигателях, полагаются на сжигание ископаемого топлива, что приводит к выбросам парникового газа углекислого газа. Автотранспортные средства являются одним из основных источников атмосферного CO₂, основной фактор изменения климата.

"Двигатели внутреннего сгорания производят огромное количество углекислого газа", - сказал Фенг, адъюнкт-профессор химической инженерии. "Для достижения углеродно-нейтральных целей и нулевых выбросов углерода срочно необходимы устройства для преобразования альтернативной энергии, использующие топливо из возобновляемых и устойчивых источников. Топливные элементы на прямом этаноле потенциально могут заменить системы преобразования энергии на основе бензина и дизельного топлива в качестве источников питания".

Фэн и его коллеги находятся в процессе привлечения финансирования для разработки прототипов блоков DEFC для портативных устройств и транспортных средств.

"Если это будет успешным, мы сможем поставить устройство для коммерциализации через пять лет", - сказал он. "Надеюсь, что при большем количестве промышленных партнеров автомобиль DEFC может быть внедрен через 10 лет".

Этанол, также известный как этиловый спирт, состоит из углерода, водорода и кислорода - его химическая формула C₂H₆O - и является активным ингредиентом в алкогольных напитках. Он образуется естественным путем в результате ферментации сахаров дрожжами и может быть получен из многих источников, включая кукурузу, пшеницу, зерновое сорго, ячмень, сахарный тростник и сладкое сорго.

Большая часть этанола, производимого в Соединенных Штатах, производится на Среднем Западе, чаще всего из кукурузы.

Топливный элемент, объясняет Фенг, использует химическую энергию водорода или других видов топлива для чистого и эффективного производства электроэнергии. Они могут использовать широкий спектр видов топлива и сырья и могут обслуживать системы размером с электростанцию общего назначения и размером с портативный компьютер.

"В технологии DEFC этанол может быть получен из ряда источников, в частности из биомассы, такой как сахарный тростник, пшеница и кукуруза", - сказал Фенг. "Преимущество использования биологических источников для производства этанола заключается в том, что растения поглощают атмосферный углекислый газ".

Будучи жидким и, следовательно, легко хранящимся и транспортируемым, этанол может вырабатывать больше энергии на килограмм, чем другие виды топлива, такие как метанол или чистый водород. Кроме того, отмечает Фенг, уже создана инфраструктура как для производства, так и для распределения этанола, что делает DEFC привлекательным вариантом для замены двигателей внутреннего сгорания.

"Первый автомобиль, работающий на топливных элементах на основе этанола, был разработан в 2007 году", - сказал Фенг. "Однако дальнейшее развитие транспортных средств DEFC значительно отстало из-за низкой эффективности DEFC, затрат, связанных с катализаторами, и риска отравления катализатора монооксидом углерода, образующимся в реакциях внутри топливного элемента".

Для решения этих проблем исследовательская группа, в которую также входили Маоюй Ван из OSU и ученые из Южного университета науки и техники в Китае и Аргоннской национальной лаборатории, разработала высокоэффективные катализаторы из сплава палладия, которые используют меньше драгоценного металла, чем современные катализаторы на основе палладия.

Палладий, платина и рутений - это элементы, которые ценятся за их каталитические свойства, но дороги и труднодоступны.

"Наша команда показала, что введение атомов фтора в катализаторы палладий-азот-углерод изменяет окружающую среду вокруг палладия, и это улучшает как активность, так и долговечность двух важных реакций в клетке: реакции окисления этанола и реакции восстановления кислорода", - сказал Фенг. "Усовершенствованные характеристики синхротронной рентгеновской спектроскопии, полученные в Аргонне, показывают, что введение атома фтора создает более богатую азотом поверхность палладия, что благоприятно для катализа. Долговечность повышается за счет ингибирования миграции палладия и уменьшения углеродной коррозии."

Поддержку этому исследованию оказали Национальный научный фонд и Министерство энергетики США.