In onderzoek dat een vliegende start zou kunnen maken met een reeks technologieën, waaronder brandstofcellen, de sleutel tot het opslaan van zonne- en windenergie, hebben MIT-onderzoekers een relatief eenvoudige manier gevonden om de levensduur van deze apparaten te verlengen:de "pH" van het systeem veranderen.

Brandstof- en elektrolysecellen gemaakt van materialen die bekend staan ​​als vaste metaaloxiden zijn om verschillende redenen van belang. In de elektrolysemodus zijn ze bijvoorbeeld zeer efficiënt in het omzetten van elektriciteit uit een hernieuwbare bron in een opslagbare brandstof zoals waterstof of methaan die in de brandstofcelmodus kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken wanneer de zon niet schijnt of de wind is waait niet. Ze kunnen ook worden gemaakt zonder dure metalen zoals platina te gebruiken. Hun commerciële levensvatbaarheid is echter gedeeltelijk belemmerd omdat ze in de loop van de tijd achteruitgaan. Metaalatomen die uit de verbindingen sijpelen die worden gebruikt om banken van brandstof-/elektrolysecellen te bouwen, vergiftigen langzaam de apparaten.

"Wat we hebben kunnen aantonen, is dat we die degradatie niet alleen kunnen omkeren, maar de prestaties zelfs boven de initiële waarde kunnen verbeteren door de zuurgraad van de luchtelektrode-interface te regelen", zegt Harry L. Tuller, de R.P. Simmons Professor of Keramiek en elektronische materialen in MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE).

Het onderzoek, dat aanvankelijk werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie via het National Energy Technology Laboratory van het Office of Fossil Energy and Carbon Management (FECM), zou het ministerie moeten helpen zijn doel te bereiken om de afbraaksnelheid van vaste oxidebrandstofcellen tegen 2035-2050 aanzienlijk te verminderen. .

"Het verlengen van de levensduur van vaste-oxidebrandstofcellen helpt bij het leveren van de goedkope, zeer efficiënte waterstofproductie en energieopwekking die nodig zijn voor een toekomst met schone energie", zegt Robert Schrecengost, waarnemend directeur van de FECM-divisie voor waterstof met koolstofbeheer. "Het ministerie juicht deze vooruitgang toe om deze technologieën te rijpen en uiteindelijk te commercialiseren, zodat we schone en betrouwbare energie kunnen leveren aan het Amerikaanse volk."

"Ik werk al mijn hele professionele leven op dit gebied, en wat ik tot nu toe heb gezien, zijn voornamelijk stapsgewijze verbeteringen", zegt Tuller, die onlangs werd benoemd tot 2022 Materials Research Society Fellow voor zijn carrièrelange werk in solide- staatschemie en elektrochemie. "Mensen zijn normaal gesproken tevreden met het zien van verbeteringen met een factor van 10 procent. Dus eigenlijk zien we veel grotere verbeteringen en, net zo belangrijk, het identificeren van de oorzaak van het probleem en de middelen om het te omzeilen, problemen waar we al jaren mee worstelen al die decennia, is opmerkelijk."

James M. LeBeau, een andere MIT-professor die bij het werk betrokken is, zegt:"Dit werk is belangrijk omdat het [sommige] beperkingen zou kunnen overwinnen die het wijdverbreide gebruik van vaste-oxidebrandstofcellen hebben verhinderd. Bovendien kan het basisconcept worden toegepast op veel andere materialen die worden gebruikt voor toepassingen op het gebied van energie." LeBeau is de John Chipman Associate Professor in Materials Science and Engineering

Het werk werd op 11 augustus online gerapporteerd in Energy &Environmental Science . Andere auteurs van het artikel zijn Han Gil Seo, een postdoctoraal DMSE; Anna Staerz, voorheen een DMSE-postdoctoraal onderzoeker, nu bij het Interuniversitair Micro-elektronicacentrum (IMEC) België en binnenkort aan de faculteit Colorado School of Mines; Dennis S. Kim, een postdoctoraal medewerker van DMSE; Dino Klotz, een DMSE visiting scientist, nu bij Zurich Instruments; Michael Xu, een DMSE-afgestudeerde student, en Clement Nicollet, voorheen een DMSE-postdoctoraal onderzoeker, nu aan de Université de Nantes. Seo en Staerz hebben evenveel bijgedragen aan het werk.

Wat ze deden

Een brandstof-/elektrolysecel bestaat uit drie hoofdonderdelen:twee elektroden (een kathode en anode) gescheiden door een elektrolyt. In de elektrolysemodus kan elektriciteit uit bijvoorbeeld de wind worden gebruikt om opslagbare brandstof zoals methaan of waterstof op te wekken. Aan de andere kant, in de omgekeerde brandstofcelreactie, kan die opgeslagen brandstof worden gebruikt om elektriciteit op te wekken als de wind niet waait.

Een werkende brandstof-/elektrolysecel is samengesteld uit vele afzonderlijke cellen die op elkaar zijn gestapeld en verbonden door stalen metalen verbindingen die het element chroom bevatten om te voorkomen dat het metaal oxideert. Maar "het blijkt dat bij de hoge temperaturen waarin deze cellen werken, een deel van dat chroom verdampt en migreert naar het grensvlak tussen de kathode en de elektrolyt, waardoor de zuurstofopnamereactie wordt vergiftigd", zegt Tuller. Na een bepaald punt is de efficiëntie van de cel gedaald tot een punt waarop het niet meer de moeite waard is om te werken.

"Dus als je de levensduur van de brandstof-/elektrolysecel kunt verlengen door dit proces te vertragen, of idealiter om te keren, zou je een heel eind kunnen komen om het praktisch te maken", zegt Tuller.

Het team toonde aan dat je beide kunt doen door de zuurgraad van het kathodeoppervlak te regelen. Ze hebben ook uitgelegd wat er aan de hand is.

De zuurgraad wijzigen

Om hun resultaten te bereiken, bekleedde het team de kathode van de brandstof/elektrolysecel met lithiumoxide, een verbinding die de relatieve zuurgraad van het oppervlak verandert van zuur naar meer basisch. "Na het toevoegen van een kleine hoeveelheid lithium konden we de initiële prestaties van een vergiftigde cel herstellen", zegt Tuller. Toen de ingenieurs nog meer lithium toevoegden, verbeterden de prestaties ver boven de oorspronkelijke waarde. "We zagen verbeteringen van drie tot vier orden van grootte in de belangrijkste zuurstofreductiereactiesnelheid en schrijven de verandering toe aan het bevolken van het oppervlak van de elektrode met elektronen die nodig zijn om de zuurstofopnamereactie aan te sturen."

De ingenieurs legden verder uit wat er gebeurt door het materiaal letterlijk op nanoschaal, of miljardsten van een meter, te observeren met ultramoderne transmissie-elektronenmicroscopie en elektronenenergieverliesspectroscopie. "We waren geïnteresseerd in het begrijpen van de verdeling van de verschillende chemische additieven [chroom en lithiumoxide] op het oppervlak", zegt LeBeau.

Ze ontdekten dat het lithiumoxide het chroom effectief oplost om een ​​glasachtig materiaal te vormen dat niet langer dient om de kathodeprestaties te verminderen.

Wat nu?

Veel technologieën zoals brandstofcellen zijn gebaseerd op het vermogen van de vaste oxiden om snel zuurstof in en uit hun kristallijne structuren te ademen, zegt Tuller. Het MIT-werk laat in wezen zien hoe je dat vermogen kunt herstellen - en versnellen - door de zuurgraad van het oppervlak te veranderen. Als gevolg hiervan zijn de ingenieurs optimistisch dat het werk kan worden toegepast op andere technologieën, waaronder sensoren, katalysatoren en op zuurstofpermeatie gebaseerde reactoren.

Het team onderzoekt ook het effect van zuurgraad op systemen die vergiftigd zijn door verschillende elementen, zoals silica.

Tuller besluit:"Zoals zo vaak in de wetenschap, loop je tegen iets aan en merk je een belangrijke trend op die voorheen niet gewaardeerd werd. Dan test je dat concept verder en ontdek je dat het echt heel fundamenteel is." + Verder verkennen

Vast oxide elektrolytische cellen vergemakkelijken CO2-elektrolyse onder intermitterende hernieuwbare energie