Een veelbelovend alternatief voor conventionele energiecentrales, vaste oxide brandstofcellen gebruiken elektrochemische methoden die stroom efficiënter kunnen genereren dan bestaande op verbranding gebaseerde generatoren. Maar brandstofcellen hebben de neiging om te snel af te breken, efficiëntiewinsten opeten door hogere kosten.

Nutsvoorzieningen, in een voorschot dat zou kunnen helpen de weg te wijzen naar duurzamere groene energie-apparaten, ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben nieuwe inzichten onthuld over de chemische reacties die brandstofcellen aandrijven.

"Brandstofcellen zijn opwindende technologieën met potentieel ontwrichtende mogelijkheden, " zegt Dane Morgan, een professor in materiaalkunde en engineering aan UW-Madison die het onderzoek leidde. "Maar degradatieproblemen waren een groot obstakel voor de consumentenmarkt."

Hij en zijn medewerkers beschreven hun bevindingen onlangs in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Een van de redenen dat brandstofcellen degraderen, is dat de apparaten moeten werken bij extreem hoge temperaturen - meer dan 1 500 graden Fahrenheit - om de chemische reacties aan te sturen die elektriciteit creëren.

Brandstofcellen combineren zuurstof met een externe brandstofbron, een soortgelijk proces als de warmte- en lichtgevende transformatie die optreedt bij vuur. Toch voeren brandstofcellen die chemische reacties uit zonder te verbranden. Daarom kunnen brandstofcellen energie opwekken met aanzienlijk meer efficiëntie dan verbranding.

In plaats daarvan, brandstofcellen werken enigszins als batterijen, bestaande uit twee elektroden gescheiden door een elektrolyt, dat is een materiaal dat ionen transporteert. Een van de elektroden splitst zuurstofgas uit de lucht in afzonderlijke atomen, die vervolgens kunnen worden vervoerd en gecombineerd met brandstof. belangrijk, het splitsen van zuurstof maakt elektronen vrij die door een circuit kunnen bewegen als stroom om huizen of apparaten van stroom te voorzien. Deze zuurstofsplitsing vindt plaats bij een onderdeel dat de kathode wordt genoemd.

Maar zuurstofgas is redelijk stabiel en daarom onwillig om te splitsen. En pogingen om de reacties efficiënt te laten verlopen bij lagere temperaturen met compatibele materialen waren een uitdaging, gedeeltelijk omdat onderzoekers de details op atomaire schaal van de chemische reacties die plaatsvinden aan de kathode echt niet kennen.

"Eerder, onderzoekers begrepen echt niet wat de snelheidsbeperkende stappen zijn voor hoe zuurstof op een oppervlak komt, splitst en gaat een materiaal binnen, " zegt Yipeng Cao, de hoofdstudent van de studie.

Om zuurstof in de kathode te laten komen, het gasmolecuul moet zich in twee atomen splitsen. Dan moet elk atoom een ​​structuur tegenkomen die een vacature wordt genoemd, dat is een kleine moleculaire opening aan het oppervlak van het materiaal waardoor zuurstof kan binnendringen. Het begrijpen van dit proces is moeilijk omdat het plaatsvindt in de bovenste atomaire lagen van de kathode, waarvan de chemie behoorlijk kan verschillen van het grootste deel van het materiaal.

"Het meten van samenstelling en leegstandchemie op die bovenste twee lagen is enorm uitdagend, ' zegt Morgan.

Daarom wendden hij en zijn collega's zich tot computersimulaties. Als toonaangevende experts in moleculaire modellering, ze combineerden dichtheidsfunctionaaltheorie en kinetische modellering om inzicht te krijgen op atomair niveau in de reacties die plaatsvinden op de bovenste twee lagen van de kathode.

Het team stelde vast dat splitsen niet de snelheidsbeperkende stap is in het bestudeerde materiaal. Ze leerden dat wat de efficiëntie van brandstofcellen beperkt, de manier is waarop zuurstofatomen vacatures aan de oppervlakte vinden en binnengaan.

Materiaal met meer vacatures, daarom, brandstofcellen mogelijk veel efficiënter kunnen maken.

"Dit kan materiaalontwerp mogelijk maken op een manier die voorheen heel moeilijk was om te doen, ' zegt Morgan.

De onderzoekers concentreerden zich op één bepaald materiaal, een modelverbinding voor veel gebruikelijke brandstofcelkathoden, lanthaan-strontiumkobaltaat genaamd. Ze zijn van plan de analyse binnenkort uit te breiden met andere materialen.

De bevindingen kunnen een impact hebben die verder gaat dan brandstofcellen, te. Materials that exchange oxygen with the environment have numerous applications, including in water splitting, CO ₂ reduction, gas separation, and electronic components called memristors.

"I think we have a much better handle on how to control the oxygen exchange process, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."