Le simulazioni dei ricercatori in Giappone forniscono nuove informazioni sulle reazioni che si verificano nelle celle a combustibile ad ossido solido utilizzando modelli realistici in scala atomica del sito attivo all'elettrodo basati su osservazioni al microscopio come punto di partenza. Questa migliore comprensione potrebbe fornire indizi sui modi per migliorare le prestazioni e la durata nei dispositivi futuri.

Estremamente promettente per la generazione di elettricità pulita ed efficiente, le celle a combustibile ad ossido solido producono elettricità attraverso la reazione elettrochimica di un combustibile con l'aria, e hanno già iniziato a farsi strada nelle case e negli edifici per uffici in tutto il Giappone.

In una tipica cella a combustibile, le molecole di ossigeno su un lato della cella a combustibile ricevono prima gli elettroni e si rompono in ioni di ossido. Gli ioni ossido quindi viaggiano attraverso un elettrolita verso l'altro lato del dispositivo, dove reagiscono con il carburante e rilasciano i loro elettroni extra. Questi elettroni fluiscono attraverso i fili esterni verso il lato iniziale, completando così il circuito e alimentando tutto ciò che è collegato ai fili.

Sebbene questa reazione complessiva sia ben nota e relativamente semplice, la fase di reazione che limita la velocità complessiva del processo rimane controversa perché le complesse strutture degli elettrodi, che sono generalmente materiali porosi anziché semplici, superfici piatte:ostacolano l'indagine dei fenomeni a livello atomico.

Poiché una conoscenza dettagliata delle reazioni che si verificano nei dispositivi è fondamentale per migliorare ulteriormente le prestazioni e la durata delle celle a combustibile, la sfida è stata capire come le strutture microscopiche, fino all'allineamento degli atomi alle diverse interfacce, influenzano le reazioni.

"Le simulazioni al computer hanno svolto un ruolo importante nel prevedere e comprendere reazioni che non possiamo osservare facilmente su scala atomica o molecolare, " spiega Michihisa Koyama, il capo del gruppo che ha guidato la ricerca presso l'INAMORI Frontier Research Center dell'Università di Kyushu.

"Però, la maggior parte degli studi ha ipotizzato strutture semplificate per ridurre il costo computazionale, e questi sistemi non possono riprodurre le strutture complesse e il comportamento che si verificano nel mondo reale".

Il gruppo di Koyama mirava a superare queste carenze applicando simulazioni con parametri raffinati a modelli realistici delle interfacce chiave basati su osservazioni microscopiche delle posizioni effettive degli atomi nel sito attivo dell'elettrodo.

Sfruttando la forza del Centro di ricerca sull'ultramicroscopia dell'Università di Kyushu, i ricercatori hanno osservato attentamente la struttura atomica delle fette sottili delle celle a combustibile utilizzando la microscopia elettronica a risoluzione atomica. Sulla base di queste osservazioni, i ricercatori hanno quindi ricostruito modelli al computer con le stesse strutture atomiche per due disposizioni rappresentative che hanno osservato.

Le reazioni tra idrogeno e ossigeno in queste celle a combustibile virtuali sono state quindi simulate con un metodo chiamato Reactive Force Field Molecular Dynamics, che utilizza una serie di parametri per approssimare il modo in cui gli atomi interagiranno - e reagiranno anche chimicamente - tra loro, senza entrare nella piena complessità dei rigorosi calcoli di chimica quantistica. In questo caso, i ricercatori hanno impiegato una serie migliorata di parametri sviluppati in collaborazione con il gruppo di Yoshitaka Umeno presso l'Università di Tokyo.

Guardando il risultato di più esecuzioni delle simulazioni sui diversi sistemi modello, i ricercatori hanno scoperto che era più probabile che le reazioni desiderate si verificassero in strati con una dimensione dei pori più piccola.

Per di più, hanno identificato un nuovo percorso di reazione in cui l'ossigeno migra attraverso gli strati di massa in un modo che potrebbe potenzialmente degradare le prestazioni e la durata. Così, le strategie per evitare questo potenziale percorso di reazione dovrebbero essere prese in considerazione mentre i ricercatori lavorano per progettare celle a combustibile migliorate.

"Questi sono i tipi di intuizioni che potremmo ottenere solo osservando i sistemi del mondo reale, " commenta Koyama. "In futuro, Mi aspetto di vedere più persone utilizzare strutture atomiche del mondo reale ricreate da osservazioni al microscopio per la base delle simulazioni per comprendere fenomeni che non possiamo facilmente misurare e osservare in laboratorio".