In questa illustrazione, il carburante verde (alcol) è rappresentato dalle goccioline di colore verde nella parte superiore dell'immagine, che interagendo con le nanoparticelle d'oro avvolte dalla curcumina, producono energia in modo efficiente (le scintille nella parte inferiore dell'immagine). Credito:Lakshman Ventrapragada e Sri Sai Prasad Nayak
La curcuma, una spezia che si trova nella maggior parte delle cucine, ha un estratto che potrebbe portare a celle a combustibile più sicure ed efficienti.
I ricercatori del Clemson Nanomaterials Institute (CNI) e i loro collaboratori dello Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) in India hanno scoperto un nuovo modo per combinare la curcumina, la sostanza della curcuma, e le nanoparticelle d'oro per creare un elettrodo che richiede 100 volte meno energia per convertire in modo efficiente l'etanolo in elettricità.
Mentre il team di ricerca deve fare più test, la scoperta porta la sostituzione dell'idrogeno come materia prima delle celle a combustibile un passo avanti.
"Di tutti i catalizzatori per l'ossidazione dell'alcol in un mezzo alcalino, quello che abbiamo preparato è il migliore finora", ha affermato Apparao Rao, direttore fondatore del CNI e professore di fisica di RA Bowen al College of Science.
Le celle a combustibile generano elettricità attraverso una reazione chimica invece della combustione. Sono utilizzati per alimentare veicoli, edifici, dispositivi elettronici portatili e sistemi di alimentazione di riserva.
Le celle a combustibile a idrogeno sono altamente efficienti e non producono gas serra. Sebbene l'idrogeno sia l'elemento chimico più comune nell'universo, deve essere derivato da sostanze come gas naturale e combustibili fossili perché si trova naturalmente sulla Terra solo in forma composta con altri elementi in liquidi, gas o solidi. L'estrazione necessaria aumenta il costo e l'impatto ambientale delle celle a combustibile a idrogeno.
Inoltre, l'idrogeno utilizzato nelle celle a combustibile è un gas compresso, che crea sfide per lo stoccaggio e il trasporto. L'etanolo, un alcol prodotto dal mais o da altri mangimi di origine agricola, è più sicuro e più facile da trasportare dell'idrogeno perché è un liquido.
"Per renderlo un prodotto commerciale in cui possiamo riempire i nostri serbatoi di etanolo, gli elettrodi devono essere altamente efficienti", ha affermato Lakshman Ventrapragada, un ex studente di Rao che ha lavorato come assistente di ricerca presso il CNI ed è un allievo di SSSIHL. "Allo stesso tempo, non vogliamo elettrodi molto costosi o substrati polimerici sintetici che non siano ecologici perché vanificano l'intero scopo. Volevamo guardare a qualcosa di ecologico per il processo di generazione delle celle a combustibile e per realizzare la stessa cella a combustibile ."
I ricercatori si sono concentrati sull'anodo della cella a combustibile, dove viene ossidato l'etanolo o un'altra fonte di alimentazione.
Le celle a combustibile utilizzano ampiamente il platino come catalizzatore. Ma il platino soffre di avvelenamento a causa di intermedi di reazione come il monossido di carbonio, ha detto Ventrapragada. È anche costoso.
I ricercatori hanno usato l'oro come catalizzatore. Invece di utilizzare polimeri conduttori, strutture metallo-organiche o altri materiali complessi per depositare l'oro sulla superficie dell'elettrodo, i ricercatori hanno utilizzato la curcumina per la sua unicità strutturale. La curcumina viene utilizzata per decorare le nanoparticelle d'oro per stabilizzarle, formando una rete porosa attorno alle nanoparticelle. I ricercatori hanno depositato la nanoparticella di curcumina d'oro sulla superficie dell'elettrodo a una corrente elettrica 100 volte inferiore rispetto a studi precedenti.
Senza il rivestimento di curcumina, le nanoparticelle d'oro si agglomerano, riducendo la superficie esposta alla reazione chimica, ha affermato Ventrapragada.
"Senza questo rivestimento di curcumina, le prestazioni sono scarse", ha affermato Rao. "Abbiamo bisogno di questo rivestimento per stabilizzare e creare un ambiente poroso attorno alle nanoparticelle, e poi fanno un ottimo lavoro con l'ossidazione dell'alcol.
"C'è una grande spinta nel settore per l'ossidazione dell'alcool. Questa scoperta è un eccellente fattore abilitante per questo. Il passo successivo è aumentare il processo e lavorare con un collaboratore industriale che può effettivamente produrre celle a combustibile e costruire pile di celle a combustibile per la vera applicazione", ha continuato.
Ma la ricerca potrebbe avere implicazioni più ampie rispetto al miglioramento delle celle a combustibile. Le proprietà uniche dell'elettrodo potrebbero prestarsi ad applicazioni future in sensori, supercondensatori e altro, ha affermato Ventrapragada.
In collaborazione con il team di ricerca SSSIHL, il team di Rao sta testando l'elettrodo come sensore che potrebbe aiutare a identificare i cambiamenti nel livello di dopamina. La dopamina è stata implicata in disturbi come il morbo di Parkinson e il disturbo da deficit di attenzione e iperattività. Quando i membri del team di ricerca hanno testato campioni di urina ottenuti da volontari sani, hanno potuto misurare la dopamina nel range clinico approvato con questo elettrodo utilizzando un metodo conveniente rispetto a quelli standard utilizzati oggi, ha affermato Rao.
"Nelle fasi iniziali del progetto, non immaginavamo altre applicazioni che la curcumina rivestita d'oro potesse supportare. Tuttavia, prima della fine degli esperimenti di ossidazione dell'alcol, eravamo abbastanza fiduciosi che altre applicazioni fossero possibili", ha affermato Ventrapragada. "Anche se non abbiamo una comprensione completa di ciò che sta accadendo a livello atomico, sappiamo per certo che la curcumina sta stabilizzando le nanoparticelle d'oro in un modo che può prestarsi ad altre applicazioni".
La rivista Nano Energy ha pubblicato i risultati in un documento intitolato "Sintesi verde di un nuovo nanocomposito poroso di oro-curcumina per un'ossidazione dell'alcool super efficiente". + Esplora ulteriormente
