20.04.2022 - Clemson University

Extrakt aus einem gewöhnlichen Küchengewürz könnte Schlüssel zu grüneren, effizienteren Brennstoffzellen sein

Entdeckung bringt den Ersatz von Wasserstoff als Rohstoff für Brennstoffzellen einen Schritt näher

Kurkuma, ein Gewürz, das in den meisten Küchen zu finden ist, enthält einen Extrakt, der zu sichereren, effizienteren Brennstoffzellen führen könnte.

Forscher des Clemson Nanomaterials Institute (CNI) und ihre Mitarbeiter vom Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) in Indien entdeckten einen neuartigen Weg, Curcumin - die Substanz in Kurkuma - und Gold-Nanopartikel zu kombinieren, um eine Elektrode zu schaffen, die 100 Mal weniger Energie benötigt, um Ethanol effizient in Strom umzuwandeln.

Das Forscherteam muss zwar noch weitere Tests durchführen, aber die Entdeckung bringt die Ersetzung von Wasserstoff als Brennstoffzellen-Einsatzstoff einen Schritt näher.

"Von allen Katalysatoren für die Alkoholoxidation in alkalischem Medium ist der von uns hergestellte Katalysator der bisher beste", sagte Apparao Rao, Gründungsdirektor des CNI und R. A. Bowen Professor für Physik am College of Science's.

Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion anstelle von Verbrennung. Sie werden zur Stromversorgung von Fahrzeugen, Gebäuden, tragbaren elektronischen Geräten und Notstromsystemen eingesetzt.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind hocheffizient und erzeugen keine Treibhausgase. Obwohl Wasserstoff das häufigste chemische Element im Universum ist, muss er aus Stoffen wie Erdgas und fossilen Brennstoffen gewonnen werden, da er auf der Erde nur in Verbindung mit anderen Elementen in flüssiger, gasförmiger oder fester Form vorkommt. Die notwendige Gewinnung erhöht die Kosten und die Umweltauswirkungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Darüber hinaus ist der in Brennstoffzellen verwendete Wasserstoff ein komprimiertes Gas, was Probleme bei der Lagerung und dem Transport verursacht. Ethanol, ein Alkohol, der aus Mais oder anderen landwirtschaftlichen Rohstoffen hergestellt wird, ist sicherer und einfacher zu transportieren als Wasserstoff, da es sich um eine Flüssigkeit handelt.

"Um es zu einem kommerziellen Produkt zu machen, bei dem wir unsere Tanks mit Ethanol füllen können, müssen die Elektroden hocheffizient sein", sagt Lakshman Ventrapragada, ein ehemaliger Student von Rao, der als Forschungsassistent am CNI gearbeitet hat und ein Alumnus des SSSIHL ist. "Gleichzeitig wollen wir keine sehr teuren Elektroden oder synthetische Polymersubstrate, die nicht umweltfreundlich sind, denn das würde den ganzen Zweck zunichte machen. Wir wollten etwas Grünes für den Erzeugungsprozess der Brennstoffzelle und die Herstellung der Brennstoffzelle selbst finden.

Die Forscher konzentrierten sich auf die Anode der Brennstoffzelle, an der das Ethanol oder ein anderes Ausgangsmaterial oxidiert wird.

In Brennstoffzellen wird häufig Platin als Katalysator verwendet. Platin kann jedoch durch Reaktionszwischenprodukte wie Kohlenmonoxid vergiftet werden, so Ventrapragada. Außerdem ist es kostspielig.

Die Forscher verwendeten Gold als Katalysator. Anstatt leitende Polymere, metallorganische Gerüste oder andere komplexe Materialien zu verwenden, um das Gold auf der Oberfläche der Elektrode abzuscheiden, verwendeten die Forscher Curcumin aufgrund seiner strukturellen Einzigartigkeit. Curcumin wird zur Dekoration der Goldnanopartikel verwendet, um sie zu stabilisieren, und bildet ein poröses Netzwerk um die Nanopartikel herum. Die Forscher brachten die Curcumin-Goldnanopartikel auf der Oberfläche der Elektrode auf, wobei der elektrische Strom 100 Mal niedriger war als in früheren Studien.

Ohne die Curcumin-Beschichtung agglomerieren die Gold-Nanopartikel, wodurch die Oberfläche, die der chemischen Reaktion ausgesetzt ist, verkleinert wird, so Ventrapragada.

"Ohne diese Curcumin-Beschichtung ist die Leistung schlecht", sagte Rao. "Wir brauchen diese Beschichtung, um die Nanopartikel zu stabilisieren und eine poröse Umgebung um sie herum zu schaffen, und dann leisten sie bei der Alkoholoxidation eine hervorragende Arbeit.

"In der Industrie wird die Alkoholoxidation stark vorangetrieben. Diese Entdeckung ist ein hervorragender Wegbereiter dafür. Der nächste Schritt ist die Vergrößerung des Prozesses und die Zusammenarbeit mit einem industriellen Partner, der die Brennstoffzellen tatsächlich herstellen und Stapel von Brennstoffzellen für die reale Anwendung bauen kann", fuhr er fort.

Die Forschungsarbeit könnte jedoch weitreichendere Auswirkungen haben als verbesserte Brennstoffzellen. Die einzigartigen Eigenschaften der Elektrode könnten sich für zukünftige Anwendungen in Sensoren, Superkondensatoren und mehr eignen, so Ventrapragada.

In Zusammenarbeit mit dem SSSIHL-Forschungsteam testet das Team von Rao die Elektrode als Sensor, der helfen könnte, Veränderungen im Dopaminspiegel zu erkennen. Dopamin wird mit Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit und der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht. Als die Mitglieder des Forschungsteams Urinproben von gesunden Freiwilligen untersuchten, konnten sie mit dieser Elektrode Dopamin bis in den zugelassenen klinischen Bereich messen, und zwar mit einer kostengünstigen Methode im Vergleich zu den heute verwendeten Standardmethoden, so Rao.

"In der Anfangsphase des Projekts konnten wir uns nicht vorstellen, dass das goldbeschichtete Curcumin noch andere Anwendungen unterstützen könnte. Vor dem Ende der Alkoholoxidationsexperimente waren wir jedoch ziemlich zuversichtlich, dass weitere Anwendungen möglich sind", so Ventrapragada. "Obwohl wir nicht vollständig verstehen, was auf atomarer Ebene passiert, wissen wir sicher, dass Curcumin die Gold-Nanopartikel so stabilisiert, dass sie für andere Anwendungen geeignet sind."

Die Zeitschrift Nano Energy veröffentlichte die Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel "Green synthesis of a novel porous gold-curcumin nanocomposite for super-efficient alcohol oxidation". Ventrapragada entwarf das Experiment während seiner Diplomarbeit in Raos CNI-Labor. Nach Ventrapragadas Abschluss wurde die Elektrode vom SSSIHL-Forschungsteam aus Indien, dem Sai Prasad Nayak, J.K. Kiran Kumar und Sai Sathish Ramamurthy angehören, charakterisiert und getestet.

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