Met behulp van geavanceerde rekenmethoden, Materiaalwetenschappers van de University of Wisconsin-Madison hebben nieuwe materialen ontdekt die het wijdverbreide commerciële gebruik van vaste-oxidebrandstofcellen dichter bij de realiteit kunnen brengen.

Een vaste-oxidebrandstofcel is in wezen een motor die een alternatieve manier biedt om fossiele brandstoffen of waterstof te verbranden om energie op te wekken. Deze brandstofcellen verbranden hun brandstof elektrochemisch in plaats van door verbranding, en zijn efficiënter dan welke praktische verbrandingsmotor dan ook.

Als alternatieve energietechnologie, vaste oxide brandstofcellen zijn een veelzijdige, zeer efficiënte krachtbron die een cruciale rol zou kunnen spelen in de toekomst van energie. Vast oxide brandstofcellen kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, van het dienen als stroomvoorziening voor gebouwen tot het verhogen van het brandstofverbruik in voertuigen.

Echter, vaste oxide brandstofcellen zijn duurder dan conventionele energietechnologieën, en dat heeft hun adoptie beperkt.

"Betere kathodekatalysatoren kunnen werken bij lagere temperaturen mogelijk maken, wat de stabiliteit kan verhogen en de kosten kan verlagen, waardoor u mogelijk uw gebouw van het elektriciteitsnet kunt halen en het in plaats daarvan kunt voeden met een vaste oxidebrandstofcel die op aardgas werkt, " zegt Dane Morgan, een materiaalwetenschap en -techniekprofessor aan UW-Madison. "Als we dat punt kunnen bereiken met vaste-oxidebrandstofcellen, de stroominfrastructuur voor veel gebouwen in het land kan veranderen, en het zou een zeer grote transformatie zijn naar een meer gedecentraliseerde energie-infrastructuur."

Onder leiding van Morgan en Ryan Jacobs, een stafwetenschapper in de onderzoeksgroep van Morgan, een team van UW-Madison-ingenieurs heeft op kwantummechanica gebaseerde computertechnieken gebruikt om te zoeken naar veelbelovende nieuwe kandidaatmaterialen waarmee vaste-oxidebrandstofcellen bij lagere temperaturen kunnen werken, met een hoger rendement en een langere levensduur.

Hun computationele screening van meer dan 2, 000 kandidaatmaterialen uit een brede klasse van verbindingen die perovskieten worden genoemd, leverden een lijst op van 52 potentiële nieuwe kathodematerialen voor vaste-oxidebrandstofcellen.

De onderzoekers publiceerden onlangs details van hun vooruitgang in het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen .

“Met dit onderzoek we hebben specifieke aanbevelingen gedaan voor veelbelovende verbindingen die verder moeten worden onderzocht, " zegt Morgan, wiens werk wordt ondersteund door de Amerikaanse luchtmacht en de National Science Foundation. "Sommige van de nieuwe kandidaat-kathodematerialen die we hebben geïdentificeerd, kunnen transformerend zijn voor vaste-oxidebrandstofcellen om de kosten te verlagen."

Naast het identificeren van nieuwe materialen, de aanpak van de onderzoekers stelde hen in staat om materiaalontwerpprincipes te codificeren die voorheen op intuïtie waren gebaseerd en om suggesties te doen voor het verbeteren van bestaande materialen.

Typisch, vaste oxide brandstofcellen moeten werken bij temperaturen rond de 800 graden Celsius. Maar werken bij deze hoge temperaturen betekent dat materialen in de brandstofcel snel degraderen en de levensduur van het apparaat beperken. Het doel, zegt Jacobs, is om vaste oxide brandstofcellen bij een lagere temperatuur te laten werken, en vertragen die degradatie. Brandstofcellen met een lange levensduur hoeven niet vaak te worden vervangen, waardoor ze zuiniger worden.

Om dit doel te bereiken, de onderzoekers gingen op zoek naar stabiele verbindingen met een hoge activiteit om de zuurstofreductiereactie te katalyseren, een chemisch proces dat de sleutel is tot energietoepassingen voor vaste oxide brandstofcellen.

"Als je nieuwe verbindingen kunt vinden die zowel stabiel zijn onder de bedrijfsomstandigheden van de brandstofcel als zeer katalytisch actief, je kunt dat stabiel nemen, zeer actief materiaal en gebruik het bij een verlaagde temperatuur terwijl de gewenste prestatie van de brandstofcel nog steeds wordt bereikt, " legt Jacob uit, wie de hoofdauteur van de studie was.

Echter, het gebruik van computationele modellering om de katalytische activiteit van een perovskietverbinding kwantitatief te berekenen, is onbetaalbaar vanwege de hoge complexiteit van de zuurstofreductiereactie.

Om deze uitdaging te overwinnen, de onderzoekers gebruikten een aanpak waarbij ze een fysieke parameter selecteerden die eenvoudiger te berekenen was, en toonde vervolgens empirisch aan dat het correleerde met de katalytische activiteit, dus dienend als een effectieve proxy voor de katalytische activiteit. Toen ze deze correlaties eenmaal hadden vastgesteld met gegevens uit experimenten, de onderzoekers waren in staat om computertools met hoge doorvoer te gebruiken om een ​​grote groep materialen effectief te screenen op hoge katalytische activiteit.

De onderzoekers van UW-Madison werken samen met een groep van het National Energy Technology Laboratory (NETL), die de eerste tests uitvoerde op een van de kandidaat-kathodematerialen van het team.

"Dit onderzoek loopt, maar de vroege tests door onze NETL-medewerkers vonden het materiaal veelbelovend, ' zegt Morgan.

Morgan zegt dat dit project een voorbeeld is van het soort vooruitgang dat wordt ondersteund door het Materials Genome Initiative, een voortdurende nationale inspanning die tot doel heeft de snelheid waarmee het land ontdekt, ontwikkelt en produceert nieuwe materialen.

"Dit project integreerde correlaties van experimenten met online digitale databases en computerhulpmiddelen met hoge doorvoer om nieuwe vaste-oxidebrandstofcelmaterialen te ontwerpen, dus het is precies het soort dingen dat mogelijk wordt gemaakt door de infrastructuur en benaderingen die zijn ontwikkeld en ingevoerd door het Materials Genome Initiative, ' zegt Morgan.