Quando lo zirconato di bario drogato con ittrio (BZY20) viene depositato su un elettrodo, gli atomi vicino alla superficie vengono compressi dalla loro posizione ideale. Questa deformazione di compressione nel piano aumenta la barriera alla diffusione dei protoni, riducendo così la conduttività protonica e le prestazioni delle celle a combustibile a ossido solido. Questa diminuzione della conduttività protonica corrisponde ai valori riportati di conducibilità protonica nelle celle a combustibile ceramiche a conduzione protonica ad alte prestazioni. Le strategie per superare questo ceppo aiuteranno a migliorare le prestazioni in futuro. Credito:Yamazaki Lab, Università di Kyushu
Molti di noi conoscono fin troppo bene come la tensione nei rapporti di lavoro possa influire sulle prestazioni, ma una nuova ricerca mostra che i materiali nelle celle a combustibile che producono elettricità possono essere sensibili alla sollecitazione a un livello completamente diverso.
I ricercatori dell'Università di Kyushu riferiscono che la deformazione causata solo da una riduzione del 2% della distanza tra gli atomi quando viene depositata su una superficie porta a un'enorme diminuzione del 99,999% della velocità con cui i materiali conducono gli ioni idrogeno, riducendo notevolmente le prestazioni del combustibile a ossido solido celle.
Lo sviluppo di metodi per ridurre questo sforzo aiuterà in futuro a portare celle a combustibile ad alte prestazioni per la produzione di energia pulita a un numero più ampio di famiglie.
In grado di generare elettricità da idrogeno e ossigeno emettendo solo acqua come "rifiuto", le celle a combustibile si basano su un elettrolita per trasportare ioni prodotti dalla rottura delle molecole di idrogeno o ossigeno da un lato all'altro del dispositivo.
Sebbene il termine elettrolita possa spesso evocare immagini di liquidi e bevande sportive, possono anche essere solidi. Per quanto riguarda le celle a combustibile, i ricercatori sono particolarmente interessati agli elettroliti a base di ceramica e ossidi solidi, materiali duri composti da ossigeno e altri atomi, che conducono ioni idrogeno positivi, noti anche come protoni.
Tali ossidi solidi a conduzione protonica non solo sono più durevoli dei liquidi e delle membrane polimeriche, ma possono anche funzionare a temperature medie comprese tra 300 e 600 °C, che è inferiore rispetto alle loro controparti conduttrici di ioni ossigeno.
"Una chiave per una buona efficienza è far sì che i protoni attraverso l'elettrolita reagiscano con l'ossigeno il più rapidamente possibile", afferma Junji Hyodo, autore dello studio e professore assistente alla ricerca presso la piattaforma di ricerca energetica inter/transdisciplinare dell'Università di Kyushu (Q -PIT).
"Sulla carta, abbiamo materiali con ottime proprietà che dovrebbero portare a prestazioni eccellenti se utilizzati in celle a combustibile a ossido solido, ma le prestazioni effettive tendono ad essere molto inferiori".
Ora, i ricercatori pensano di sapere perché attraverso le indagini su ciò che accade dove l'elettrolita incontra l'elettrodo che induce la reazione.
"Le proprietà dei singoli materiali sono spesso misurate in una condizione in cui sono libere dall'influenza degli strati circostanti, ciò che chiamiamo la massa. Tuttavia, quando uno strato di ossido viene fatto crescere su una superficie, i suoi atomi devono spesso riadattarsi per adattarsi alle proprietà di la superficie sottostante, portando a differenze rispetto alla massa", spiega Hyodo.
Per il loro studio, i ricercatori si sono concentrati su un promettente ossido noto come BZY20, che è una combinazione di atomi di ittrio, bario, zirconio e ossigeno. BYZ20 forma un cristallo con una struttura comune che si inserisce in un cubo e si ripete più e più volte sulla superficie man mano che l'ossido cresce.
Osservando campioni con vari spessori, hanno scoperto che gli atomi sui bordi di questo cubo sono il 2% più vicini all'interfaccia tra l'ossido e la superficie rispetto agli strati lontani dalla superficie. Inoltre, questo ceppo di compressione riduce la conduttività protonica a quasi 1/100.000 di quella che è nei campioni sfusi.
"Un cambiamento di appena il 2%, da un metro a 98 cm su larga scala, potrebbe sembrare insignificante, ma in un dispositivo in cui le interazioni avvengono su scala atomica, ha un impatto enorme", afferma Yoshihiro Yamazaki, professore al Q- PIT e consulente dello studio.
Man mano che gli strati si accumulano, questa deformazione di compressione si riduce lentamente, con il cubo che alla fine raggiunge la sua dimensione preferita lontano dall'interfaccia. Ma mentre la conduttività può essere elevata lontano dalla superficie, il danno è già fatto.
Tenendo conto di questa ridotta conduttività nel calcolo delle prestazioni attese, si ottengono valori che concordano con le effettive prestazioni delle celle a combustibile, indicando che è probabile che la deformazione abbia un ruolo nella riduzione delle prestazioni.
"Sebbene disponiamo di buoni materiali individuali, è fondamentale mantenerne le proprietà quando li combiniamo in un dispositivo. In questo caso, ora sappiamo che sono necessarie strategie per ridurre la deformazione nel punto in cui l'ossido incontra l'elettrodo", afferma Yamazaki.
La ricerca è stata pubblicata nel Journal of Physics:Energy . + Esplora ulteriormente
