Una promettente alternativa alle centrali elettriche convenzionali, Le celle a combustibile ad ossido solido utilizzano metodi elettrochimici che possono generare energia in modo più efficiente rispetto ai generatori a combustione esistenti. Ma le celle a combustibile tendono a degradarsi troppo rapidamente, divorare eventuali guadagni di efficienza attraverso l'aumento dei costi.

Ora, in un anticipo che potrebbe aiutare a spianare la strada verso dispositivi di energia verde più longevi, gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno rivelato nuove intuizioni sulle reazioni chimiche che alimentano le celle a combustibile.

"Le celle a combustibile sono tecnologie entusiasmanti con capacità potenzialmente dirompenti, "dice Dane Morgan, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison che ha guidato la ricerca. "Ma i problemi di degrado sono stati un grosso ostacolo per il mercato dei consumatori".

Lui e i suoi collaboratori hanno recentemente descritto le loro scoperte sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Uno dei motivi per cui le celle a combustibile si degradano è che i dispositivi devono funzionare a temperature estremamente elevate, superiori a 1, 500 gradi Fahrenheit:per guidare le reazioni chimiche che creano elettricità.

Le celle a combustibile combinano l'ossigeno con una fonte di combustibile esterna, un processo simile alla trasformazione che produce calore e luce che si verifica nel fuoco. Eppure le celle a combustibile eseguono quelle reazioni chimiche senza bruciare. Ecco perché le celle a combustibile possono generare energia con un'efficienza significativamente maggiore rispetto alla combustione.

Anziché, le celle a combustibile funzionano un po' come le batterie, costituito da due elettrodi separati da un elettrolita, che è un materiale che trasporta ioni. Uno degli elettrodi divide il gas ossigeno dall'aria in singoli atomi, che possono poi essere trasportati e combinati con il carburante. È importante sottolineare che la scissione dell'ossigeno libera elettroni che possono muoversi attraverso un circuito sotto forma di corrente per alimentare case o dispositivi. Questa scissione dell'ossigeno avviene in un componente chiamato catodo.

Ma l'ossigeno è abbastanza stabile e quindi riluttante a dividersi. E gli sforzi per guidare le reazioni in modo efficiente a temperature più basse con materiali compatibili sono stati impegnativi, in parte perché i ricercatori veramente non conoscono i dettagli su scala atomica delle reazioni chimiche che avvengono al catodo.

"In precedenza, i ricercatori non hanno davvero capito quali sono i passaggi limitanti per il modo in cui l'ossigeno arriva su una superficie, si divide ed entra in un materiale, "dice Yipeng Cao, lo studente capofila dello studio.

Affinché l'ossigeno entri nel catodo, la molecola del gas deve dividersi in due atomi. Quindi ogni atomo deve incontrare una struttura chiamata posto vacante, che è un piccolo spazio molecolare sulla superficie del materiale che consente all'ossigeno di entrare. Comprendere questo processo è difficile perché avviene negli strati atomici superiori del catodo, la cui chimica può essere molto diversa dalla massa del materiale.

"Misurare la composizione e la chimica dei posti vacanti in quei due strati superiori è estremamente impegnativo, "dice Morgana.

Ecco perché lui e i suoi colleghi si sono rivolti alle simulazioni al computer. In qualità di massimi esperti di modellistica molecolare, hanno combinato la teoria del funzionale della densità e la modellazione cinetica per ottenere informazioni a livello atomico sulle reazioni che si verificano sui due strati superiori del catodo.

Il team ha stabilito che la suddivisione non è la fase limitante della velocità nel materiale studiato. Hanno imparato che ciò che limita l'efficienza delle celle a combustibile è il modo in cui gli atomi di ossigeno trovano ed entrano in spazi vuoti in superficie.

Materiale con più posti vacanti, perciò, potrebbe potenzialmente rendere le celle a combustibile molto più efficienti.

"Questo potrebbe consentire la progettazione dei materiali in un modo che era molto difficile da fare prima, "dice Morgana.

I ricercatori si sono concentrati su un materiale particolare, un composto modello per molti catodi di celle a combustibile comuni chiamato lantanio stronzio cobaltato. Stanno progettando di espandere l'analisi per includere presto altri materiali.

I risultati potrebbero avere un impatto oltre le celle a combustibile, pure. I materiali che scambiano ossigeno con l'ambiente hanno numerose applicazioni, anche nella scissione dell'acqua, CO ₂ riduzione, gas separation, and electronic components called memristors.

"I think we have a much better handle on how to control the oxygen exchange process, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."