Solid oxide brandstofcellen (SOFC's) zijn een veelbelovende technologie om chemische energie netjes om te zetten in elektrische energie. Maar hun efficiëntie hangt af van de snelheid waarmee vaste stoffen en gassen interageren op de elektrode-oppervlakken van de apparaten. Dus, manieren te onderzoeken om de SOFC-efficiëntie te verbeteren, een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Berkeley Lab bestudeerde een modelelektrodemateriaal op een nieuwe manier - door een ander facet van de kristalstructuur bloot te stellen aan zuurstofgas bij werkdrukken en temperaturen.

"We begonnen met het stellen van vragen als:kunnen verschillende reactiesnelheden worden bereikt met hetzelfde materiaal, gewoon door te veranderen met welk oppervlak de zuurstof reageert?" zei Lane Martin, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "We wilden onderzoeken hoe de atomaire configuratie op specifieke oppervlakken van deze materialen een verschil maakt als het gaat om de reactie met het zuurstofgas."

Dunne films van een gemeenschappelijk SOFC-kathodemateriaal, lanthaan strontium kobalt ferriet (LSCF), werden gesynthetiseerd om een ​​oppervlak bloot te leggen dat was georiënteerd langs een diagonaal kristallografisch vlak. Elektrochemische metingen op dit atypische oppervlak leverden zuurstofreactiesnelheden op die tot drie keer sneller waren dan die gemeten op het gebruikelijke horizontale vlak.

Om de mechanismen die aan deze verbetering ten grondslag liggen beter te begrijpen, de onderzoekers gebruikten Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om het 'nieuwe' oppervlak te onderzoeken bij hoge temperaturen en bij wisselende zuurstofdruk. De resultaten onthulden dat verschillende kristallografische vlakken verschillende oppervlaktechemie stabiliseren, hoewel de chemie in het grootste deel van de films onveranderd is.

"Het blootstellen van verschillende oppervlakken aan lucht kan leiden tot totaal verschillende structuren, chemie, en defectconcentraties tot een punt waarop deze oppervlakken er bijna uitzien en zich gedragen als verschillende materialen, " zei Abel Fernández, een afgestudeerde student in Materials Science and Engineering aan UC Berkeley en co-eerste auteur van de studie. "Door onze resultaten in overweging te nemen, kunnen fabrikanten een relatief eenvoudige manier krijgen om de reactiviteit van op LSCF gebaseerde kathoden te verbeteren zonder de basis die typisch nodig is voor het gebruik van nieuwe materiaalchemie."