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Stanford verwandelt Wasser in Kraftstoff mit einem Design, das von der Lunge inspiriert ist

Stanford verwandelt Wasser in Kraftstoff mit einem Design, das von der Lunge inspiriert ist

Wissenschaftler der Stanford University haben einen elektrokatalytischen Mechanismus entwickelt, der wie die Lunge eines Säugetiers funktioniert, um Wasser in Kraftstoff umzuwandeln. Ihre am 20. Dezember im Joule-Magazin veröffentlichten Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, dass vorhandene Technologien für saubere Energie effizienter arbeiten.

Das Ein- und Ausatmen erfolgt für die meisten Organismen so automatisch, dass es für die Einfachheit gehalten werden könnte, aber der Atmungsprozess von Säugetieren ist tatsächlich eines der ausgefeiltesten Systeme für den wechselseitigen Gasaustausch in der Natur.

Bei jedem Atemzug bewegt sich Luft wie ein Durchgang durch die winzigen Bronchiolen in der Lunge, bis sie winzige Säcke erreicht, die Alveolen genannt werden. Von dort muss das Gas in den Blutkreislauf gelangen, ohne einfach zu diffundieren, wodurch sich schädliche Blasen bilden. Es ist die einzigartige Struktur der Alveolen, die eine ein Mikrometer dicke Membran enthält, die die Wassermoleküle im Inneren abstößt und an die Außenfläche zieht, wodurch die Bildung dieser Blasen verhindert wird und der Gasaustausch glatt wird. hocheffizient.

Wissenschaftler im Labor des Hauptautors Yi Cui am Department of Materials Science and Engineering der Stanford University wurden von diesem Prozess inspiriert, um bessere Elektrokatalysatoren zu entwickeln - Materialien, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion in einer Elektrode erhöhen. "Saubere Energietechnologien haben gezeigt, dass Reaktantengas schnell an die Reaktionsgrenzfläche abgegeben werden kann, aber der umgekehrte Weg, die effiziente Entwicklung des Gasprodukts von der Katalysator / Elektrolyt-Grenzfläche, bleibt eine Herausforderung", sagt er. Jun Li, der Erstautor der Studie.

Der Mechanismus des Teams ahmt die Alveole strukturell nach und führt zwei verschiedene Prozesse aus, um die Reaktionen zu verbessern, die nachhaltige Technologien wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien antreiben.

Der erste Vorgang ist analog zum Ausatmen. Der Mechanismus spaltet Wasser, um Wasserstoffgas, einen sauberen Brennstoff, zu erzeugen, indem Wassermoleküle an der Anode einer Batterie oxidiert und an der Kathode reduziert werden. Sauerstoffgas (zusammen mit Wasserstoffgas) wird schnell durch eine dünne, zellartige Membran aus Polyethylen erzeugt und transportiert, ohne die Energiekosten für die Bildung von Blasen.

Der zweite Prozess ähnelt eher dem Einatmen und erzeugt Energie durch eine sauerstoffverbrauchende Reaktion. Sauerstoffgas wird dem Katalysator auf der Oberfläche der Elektrode zugeführt, so dass es bei elektrochemischen Reaktionen als Reagenz verwendet werden kann.

Obwohl sich das Design noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, erscheint es vielversprechend. Die außergewöhnlich dünne Nano-Polyethylen-Membran bleibt länger hydrophob als herkömmliche Gasdiffusionsschichten auf Kohlenstoffbasis, und dieses Modell kann höhere Stromdichteraten und ein geringeres Überpotential als herkömmliche Konstruktionen erzielen.

Dieses lungeninspirierte Design bietet jedoch noch Verbesserungspotenzial, bevor es für den kommerziellen Einsatz bereit ist. Da die Nano-Polyethylen-Membran eine Folie auf Polymerbasis ist, kann sie keine Temperaturen über 100 Grad Celsius tolerieren, was ihre Anwendungen einschränken könnte. Das Team glaubt, dass dieses Material durch hydrophobe nanoporöse Membranen ersetzt werden kann, die ähnlich dünn sind und größerer Hitze standhalten können. Sie sind auch daran interessiert, andere Elektrokatalysatoren in das Design der Vorrichtung einzubeziehen, um ihre katalytischen Fähigkeiten vollständig zu erforschen.

"Die Struktur, die die Atmung nachahmt, könnte mit vielen anderen Elektrokatalysatoren der Spitzenklasse gekoppelt werden, und die weitere Erforschung der dreiphasigen Gas-Flüssig-Feststoff-Elektrode bietet aufregende Möglichkeiten für die Katalyse", sagt Jun Li.

Weitere Informationen: Joule, Li und andere: „Atmungsimitations-Elektrokatalyse zur Sauerstoffentwicklung und -reduktion“ https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30564-6, DOI: 10.1016 / j .joule.2018.11.015

Originalartikel (in englischer Sprache):


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