Simulaties van onderzoekers in Japan bieden nieuwe inzichten in de reacties die plaatsvinden in vaste-oxidebrandstofcellen door realistische atomaire schaalmodellen van de actieve plaats bij de elektrode te gebruiken op basis van microscoopobservaties als uitgangspunt. Dit betere begrip zou aanwijzingen kunnen geven over manieren om de prestaties en duurzaamheid van toekomstige apparaten te verbeteren.

Veelbelovend voor schone en efficiënte elektriciteitsopwekking, vaste-oxidebrandstofcellen produceren elektriciteit door de elektrochemische reactie van een brandstof met lucht, en ze zijn al begonnen hun weg te vinden naar huizen en kantoorgebouwen in heel Japan.

In een typische brandstofcel, zuurstofmoleculen aan één kant van de brandstofcel ontvangen eerst elektronen en vallen uiteen in oxide-ionen. De oxide-ionen reizen dan door een elektrolyt naar de andere kant van het apparaat, waar ze reageren met de brandstof en hun extra elektronen vrijgeven. Deze elektronen stromen door buitendraden terug naar de startzijde, waardoor het circuit wordt voltooid en alles wordt gevoed dat op de draden is aangesloten.

Hoewel deze algemene reactie algemeen bekend en relatief eenvoudig is, de reactiestap die de algehele snelheid van het proces beperkt, blijft controversieel omdat de gecompliceerde structuren van de elektroden - die over het algemeen poreuze materialen zijn in tegenstelling tot eenvoudige, platte oppervlakken - belemmeren het onderzoek van de verschijnselen op atomair niveau.

Aangezien gedetailleerde kennis over de reacties die in de apparaten plaatsvinden van vitaal belang is voor het verder verbeteren van de prestaties en duurzaamheid van brandstofcellen, de uitdaging was om te begrijpen hoe de microscopische structuren - tot aan de uitlijning van de atomen op de verschillende interfaces - de reacties beïnvloeden.

"Computersimulaties hebben een krachtige rol gespeeld bij het voorspellen en begrijpen van reacties die we niet gemakkelijk kunnen waarnemen op atomaire of moleculaire schaal, " legt Michihisa Koyama uit, het hoofd van de groep die het onderzoek leidde aan het INAMORI Frontier Research Center van de Kyushu University.

"Echter, de meeste studies zijn uitgegaan van vereenvoudigde structuren om de rekenkosten te verlagen, en deze systemen kunnen de complexe structuren en het gedrag in de echte wereld niet reproduceren."

De groep van Koyama probeerde deze tekortkomingen te verhelpen door simulaties met verfijnde parameters toe te passen op realistische modellen van de belangrijkste interfaces op basis van microscopische waarnemingen van de werkelijke posities van de atomen op de actieve plaats van de elektrode.

Gebruikmakend van de kracht van het Ultramicroscopie Research Center van Kyushu University, de onderzoekers observeerden zorgvuldig de atomaire structuur van dunne plakjes van de brandstofcellen met behulp van elektronenmicroscopie met atomaire resolutie. Op basis van deze observaties, de onderzoekers reconstrueerden vervolgens computermodellen met dezelfde atomaire structuren voor twee representatieve arrangementen die ze observeerden.

Reacties tussen waterstof en zuurstof in deze virtuele brandstofcellen werden vervolgens gesimuleerd met een methode genaamd Reactive Force Field Molecular Dynamics, die een reeks parameters gebruikt om te schatten hoe atomen met elkaar zullen interageren - en zelfs chemisch reageren, zonder in te gaan op de volledige complexiteit van rigoureuze kwantumchemische berekeningen. In dit geval, de onderzoekers gebruikten een verbeterde set parameters ontwikkeld in samenwerking met Yoshitaka Umeno's groep aan de Universiteit van Tokyo.

Kijkend naar de uitkomst van meerdere runs van de simulaties op de verschillende modelsystemen, de onderzoekers ontdekten dat de gewenste reacties vaker voorkwamen in lagen met een kleinere poriegrootte.

Verder, ze identificeerden een nieuwe reactieroute waarin zuurstof door de bulklagen migreert op een manier die de prestaties en duurzaamheid zou kunnen verminderen. Dus, strategieën om deze potentiële reactieroute te vermijden, moeten worden overwogen terwijl onderzoekers werken aan het ontwerpen van verbeterde brandstofcellen.

"Dit zijn het soort inzichten dat we alleen kunnen krijgen door naar echte systemen te kijken, " merkt Koyama op. "In de toekomst, Ik verwacht dat meer mensen echte atomaire structuren zullen gebruiken die zijn nagebouwd op basis van microscoopobservaties voor de basis van simulaties om fenomenen te begrijpen die we niet gemakkelijk kunnen meten en observeren in het laboratorium."