Utilizzando metodi computazionali avanzati, Gli scienziati dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison hanno scoperto nuovi materiali che potrebbero avvicinare alla realtà l'uso commerciale diffuso delle celle a combustibile a ossido solido.

Una cella a combustibile ad ossido solido è essenzialmente un motore che fornisce un modo alternativo per bruciare combustibili fossili o idrogeno per generare energia. Queste celle a combustibile bruciano il loro combustibile per via elettrochimica invece che per combustione, e sono più efficienti di qualsiasi pratico motore a combustione.

Come tecnologia energetica alternativa, Le celle a combustibile ad ossido solido sono un versatile, fonte di energia altamente efficiente che potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nel futuro dell'energia. Le celle a combustibile ad ossido solido possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni, dalla fornitura di energia per gli edifici all'aumento dell'efficienza del carburante nei veicoli.

Però, le celle a combustibile ad ossido solido sono più costose delle tecnologie energetiche convenzionali, e questo ha limitato la loro adozione.

"Migliori catalizzatori catodici possono consentire il funzionamento a temperature più basse, che può aumentare la stabilità e ridurre i costi, potenzialmente permettendoti di togliere il tuo edificio dalla rete elettrica e invece alimentarlo con una cella a combustibile ad ossido solido funzionante a gas naturale, "dice Dane Morgan, professore di scienze dei materiali e ingegneria alla UW-Madison. "Se possiamo arrivare a quel punto con le celle a combustibile ad ossido solido, l'infrastruttura del potere a molti edifici nel paese potrebbe cambiare, e sarebbe una trasformazione molto grande verso un'infrastruttura energetica più decentralizzata".

Guidato da Morgan e Ryan Jacobs, uno scienziato del personale nel gruppo di ricerca di Morgan, un team di ingegneri UW-Madison ha sfruttato tecniche computazionali basate sulla meccanica quantistica per cercare nuovi materiali candidati promettenti che potrebbero consentire alle celle a combustibile a ossido solido di funzionare a temperature più basse, con maggiore efficienza e maggiore durata.

Il loro screening computazionale di più di 2, 000 materiali candidati da un'ampia classe di composti chiamati perovskiti hanno prodotto un elenco di 52 potenziali nuovi materiali catodici per celle a combustibile a ossido solido.

I ricercatori hanno recentemente pubblicato i dettagli del loro progresso sulla rivista Materiali energetici avanzati .

"Con questa ricerca, abbiamo fornito raccomandazioni specifiche su composti promettenti che dovrebbero essere esplorati ulteriormente, "dice Morgana, il cui lavoro è sostenuto dalla US Air Force e dalla National Science Foundation. "Alcuni dei nuovi materiali catodici candidati che abbiamo identificato potrebbero essere trasformativi per le celle a combustibile a ossido solido per ridurre i costi".

Oltre a identificare nuovi materiali, l'approccio dei ricercatori ha permesso loro di codificare i principi di progettazione dei materiali che in precedenza erano stati basati sull'intuizione e di offrire suggerimenti per migliorare i materiali esistenti.

Tipicamente, Le celle a combustibile ad ossido solido devono funzionare a temperature intorno agli 800 gradi Celsius. Ma operare a queste temperature elevate significa che i materiali nella cella a combustibile si degradano rapidamente e limitano la vita utile del dispositivo. L'obiettivo. il gol, dice Jacobs, è quello di consentire alle celle a combustibile ad ossido solido di funzionare a una temperatura più bassa, e rallentare quel degrado. Le celle a combustibile con una lunga durata non avrebbero bisogno di sostituzioni frequenti, rendendoli più convenienti.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno cercato di trovare composti stabili con elevata attività per catalizzare la reazione di riduzione dell'ossigeno, un processo chimico chiave per le applicazioni energetiche delle celle a combustibile ad ossido solido.

"Se riesci a trovare nuovi composti che sono sia stabili nelle condizioni operative della cella a combustibile sia altamente cataliticamente attivi, puoi prendere quella stalla, materiale altamente attivo e utilizzarlo a una temperatura ridotta pur ottenendo le prestazioni desiderate dalla cella a combustibile, " spiega Jacobs, chi è stato l'autore principale dello studio.

Però, l'utilizzo di modelli computazionali per calcolare quantitativamente l'attività catalitica di un composto di perovskite è proibitivo a causa dell'elevata complessità della reazione di riduzione dell'ossigeno.

Per vincere questa sfida, i ricercatori hanno utilizzato un approccio in cui hanno selezionato un parametro fisico più semplice da calcolare, e poi ha mostrato empiricamente che era correlato con l'attività catalitica, fungendo così da proxy effettivo per l'attività catalitica. Una volta stabilite queste correlazioni con i dati degli esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare strumenti computazionali ad alto rendimento per schermare efficacemente un ampio gruppo di materiali per un'elevata attività catalitica.

I ricercatori dell'UW-Madison stanno collaborando con un gruppo del National Energy Technology Laboratory (NETL), che ha condotto i test iniziali su uno dei materiali catodici candidati del team.

"Questa ricerca è in corso, ma i primi test dei nostri collaboratori NETL hanno trovato il materiale abbastanza promettente, "dice Morgana.

Morgan dice che questo progetto è un esempio del tipo di progressi che sono aiutati dalla Materials Genome Initiative, uno sforzo nazionale in corso che punta a raddoppiare la velocità con cui il Paese scopre, sviluppa e produce nuovi materiali.

"Questo progetto ha integrato correlazioni da esperimenti con database digitali online e strumenti computazionali ad alto rendimento al fine di progettare nuovi materiali per celle a combustibile a ossido solido, quindi è esattamente il tipo di cosa che viene reso possibile dall'infrastruttura e dagli approcci che sono stati sviluppati e messi in atto dalla Materials Genome Initiative, "dice Morgana.