Der Extrakt aus einem gängigen Küchengewürz könnte der Schlüssel zu umweltfreundlicheren, effizienteren Brennstoffzellen sein

Kurkuma, ein Gewürz, das in den meisten Küchen zu finden ist, enthält einen Extrakt, der zu sichereren und 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, um Curcumin – die Substanz in Kurkuma – und Gold-Nanopartikel zu kombinieren, um eine Elektrode herzustellen, die 100 Mal benötigt wird weniger Energie, um Ethanol effizient in Strom umzuwandeln.

Während das Forschungsteam weitere Tests durchführen muss, bringt die Entdeckung den Ersatz von Wasserstoff als Ausgangsmaterial für Brennstoffzellen einen Schritt näher.

„Von allen Katalysatoren für die Alkoholoxidation in alkalischem Medium ist der von uns hergestellte bisher der beste“, sagte Apparao Rao, Gründungsdirektor des CNI und RA Bowen-Professor für Physik am College of Science.

Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion statt durch Verbrennung. Sie werden verwendet, um Fahrzeuge, Gebäude, tragbare elektronische Geräte und Notstromsysteme mit Strom zu versorgen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind hocheffizient und erzeugen keine Treibhausgase. Obwohl Wasserstoff das häufigste chemische Element im Universum ist, muss es aus Substanzen wie Erdgas und fossilen Brennstoffen gewonnen werden, da es auf der Erde natürlicherweise nur in Verbindung mit anderen Elementen in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen vorkommt. Die notwendige Extraktion trägt zu den Kosten und Umweltauswirkungen von Wasserstoffbrennstoffzellen bei.

Darüber hinaus ist Wasserstoff, der in Brennstoffzellen verwendet wird, ein komprimiertes Gas, was die Lagerung und den Transport vor Herausforderungen stellt. Ethanol, ein Alkohol aus Mais oder anderen landwirtschaftlichen Futtermitteln, ist sicherer und leichter zu transportieren als Wasserstoff, da es flüssig ist.

„Um es zu einem kommerziellen Produkt zu machen, bei dem wir unsere Tanks mit Ethanol füllen können, müssen die Elektroden hocheffizient sein“, sagte Lakshman Ventrapragada, ein ehemaliger Schüler von Rao, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter am CNI arbeitete und ein Alumnus von SSSIHL ist. „Gleichzeitig wollen wir keine sehr teuren Elektroden oder synthetischen Polymersubstrate, die nicht umweltfreundlich sind, weil das den ganzen Zweck zunichte macht. Wir wollten nach etwas Grünem für den Brennstoffzellen-Generierungsprozess und die Herstellung der Brennstoffzelle selbst suchen .“

Die Forscher konzentrierten sich auf die Anode der Brennstoffzelle, wo das Ethanol oder eine andere Zufuhrquelle oxidiert wird.

Brennstoffzellen verwenden weithin Platin als Katalysator. Aber Platin leidet unter Vergiftung aufgrund von Reaktionszwischenprodukten wie Kohlenmonoxid, sagte Ventrapragada. Es ist auch kostspielig.

Die Forscher verwendeten Gold als Katalysator. Anstatt leitfähige Polymere, metallorganische Gerüste oder andere komplexe Materialien zu verwenden, um das Gold auf der Oberfläche der Elektrode abzuscheiden, verwendeten die Forscher Curcumin wegen seiner strukturellen Einzigartigkeit. Curcumin wird verwendet, um die Gold-Nanopartikel zu dekorieren, um sie zu stabilisieren und ein poröses Netzwerk um die Nanopartikel zu bilden. Die Forscher lagerten das Curcumin-Gold-Nanopartikel bei einem 100-mal geringeren elektrischen Strom als in früheren Studien auf der Oberfläche der Elektrode ab.

Ohne die Curcumin-Beschichtung agglomerieren die Gold-Nanopartikel und reduzieren die Oberfläche, die der chemischen Reaktion ausgesetzt ist, sagte Ventrapragada.

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

„In der Industrie gibt es einen großen Schub für die Alkoholoxidation. Diese Entdeckung ist ein hervorragender Wegbereiter dafür. Der nächste Schritt besteht darin, den Prozess zu vergrößern und mit einem industriellen Partner zusammenzuarbeiten, der die Brennstoffzellen tatsächlich herstellen und Brennstoffzellenstapel bauen kann die eigentliche Anwendung“, fuhr er fort.

Aber die Forschung könnte weitreichendere Auswirkungen haben als verbesserte Brennstoffzellen. Die einzigartigen Eigenschaften der Elektrode könnten sich für zukünftige Anwendungen in Sensoren, Superkondensatoren und mehr eignen, sagte Ventrapragada.

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

„In der Anfangsphase des Projekts haben wir uns keine anderen Anwendungen vorgestellt, die goldbeschichtetes Curcumin unterstützen könnte. Vor dem Ende der Alkoholoxidationsexperimente waren wir jedoch ziemlich zuversichtlich, dass andere Anwendungen möglich sind“, sagte Ventrapragada. „Obwohl wir nicht vollständig verstehen, was auf atomarer Ebene passiert, wissen wir mit Sicherheit, dass Curcumin die Gold-Nanopartikel so stabilisiert, dass es sich für andere Anwendungen eignen kann.“

Das Tagebuch Nano-Energie veröffentlichte die Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel „Grüne Synthese eines neuartigen porösen Gold-Curcumin-Nanokomposits für eine supereffiziente Alkoholoxidation“.