Materiały do przetwarzania wodoru pod lupą

Wodór jest zrównoważonym nośnikiem energii. "Zielony", czyli produkowany z wykorzystaniem energii odnawialnej, wodór może być używany jako magazyn energii i paliwo. Aby jego produkcja i wykorzystanie były bardziej efektywne, trwałe i opłacalne, potrzebne są nowe materiały. Membrany stosowane w ogniwach paliwowych i elektrolizerach w znacznym stopniu decydują o efektywności działania tych urządzeń. Często są produkowane ze specjalnych ceramik.

Jak dokładnie zachowanie jonów wodoru – protonów – w ceramicznych membranach wiąże się z ich strukturą materiałową, wciąż nie jest w pełni zrozumiane. W projekcie finansowanym przez Schweizerischen Nationalfonds (SNF), badacze z Empa pod kierownictwem Artura Brauna, lidera grupy w Laboratorium Ceramiki Wysokosprawnej, zamierzają wspólnie z międzynarodowymi partnerami badań odpowiedzieć na to pytanie.

Braun i jego zespół zajmują się ceramicznymi przewodnikami protonowymi już od 20 lat. Dobry przewodnik protonowy musi spełniać dwie główne cechy: musi przyjmować jak najwięcej protonów, a protony powinny mieć możliwość swobodnego przemieszczania się w materiale. Te dwie cechy jednak często stoją w sprzeczności: poprawa jednej z nich zazwyczaj pogarsza drugą.

Nierówne tereny zamiast otwartej drogi

"Można porównać membrane ceramiczną do krajobrazu przeciętego drogami. Protony przemieszczają się tymi drogami jak samochody", porównuje Braun. Im więcej samochodów na drogach, tym bardziej ruch się zatrzymuje. "Wielopasmowa autostrada protonowa, na której ładunki mogą swobodnie poruszać się w obu kierunkach, to marzenie", wyjaśnia. Obecne, powszechnie stosowane membrany protonowe przypominają raczej nierówny teren, przez który protony przechodzą mozolnie wąskimi ścieżkami.

Jednak w przeciwieństwie do znanych nam krajobrazów, sieci krystaliczne ceramicznych membran są dynamiczne – czyli zmienne. W poprzedniej pracy zespół Brauna wykazał, że przewodność protonowa w dobrze przewodzących ceramikach nie zawsze jest stała, ale czasem spada, a innym razem osiąga wartości szczytowe. "Jest to jakby góry i doliny nagle się wyrównywały. Protony dostają na moment swego rodzaju wolną drogę", tłumaczy Braun. Zespół Empa również pokazał, że transport protonów w ceramicznych przewodnikach jest ściśle powiązany z wibracjami sieci krystalicznej – a protony osadzone w sieci mogą zmieniać ich wibracje.

Odpowiedzi w sieci krystalicznej

Aby lepiej zrozumieć ten efekt, badacze w swoim aktualnym projekcie nie skupiają się na dobrym przewodniku protonów, lecz raczej na słabym. Tlenek ceru i lantanu (LCO) może przyjmować wiele protonów, ale ich nie przewodzi. "Jeśli porównać słaby przewodnik protonów do zatoru, to w LCO mamy do czynienia z prawdziwym paraliżem ruchu", mówi Braun.

Jednak ta pozorna wada daje badaczom wyjątkową okazję do zbadania wpływu struktury materiałowej na przewodność protonową. Oprócz wysokorozdzielczej analizy struktury krystalograficznej za pomocą neutronów w Paul Scherrer Institut (PSI), zespół korzysta z nowych metod w dużych ośrodkach badawczych w USA i Japonii, aby precyzyjnie mierzyć wibracje sieci krystalicznej i eksperymentalnie weryfikować modele teoretyczne. "Jeśli zrozumiemy naukowe podstawy przewodzenia protonów, będziemy mogli w idealnym przypadku rzec, jak przyszłe ceramiki mogą stać się lepszymi przewodnikami protonów, co umożliwi skuteczniejsze membrany do ogniw paliwowych i elektrolizerów", wyjaśnia fizyk.

Kontakt:
Dr Artur Braun
Hochleistungskeramik
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch

Informacja redakcji: prawa do zdjęcia należą do odpowiedniego wydawcy.