Nella ricerca che potrebbe avviare il lavoro su una gamma di tecnologie tra cui le celle a combustibile, fondamentali per immagazzinare l'energia solare ed eolica, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo relativamente semplice per aumentare la durata di questi dispositivi:cambiare il "pH" del sistema.

Le celle a combustibile e di elettrolisi realizzate con materiali noti come ossidi di metalli solidi sono interessanti per diversi motivi. Ad esempio, nella modalità elettrolisi, sono molto efficienti nel convertire l'elettricità da una fonte rinnovabile in un combustibile immagazzinabile come l'idrogeno o il metano che può essere utilizzato nella modalità celle a combustibile per generare elettricità quando il sole non splende o il vento è non soffia. Possono anche essere realizzati senza l'utilizzo di metalli costosi come il platino. Tuttavia, la loro redditività commerciale è stata ostacolata, in parte, perché si degradano nel tempo. Gli atomi di metallo che fuoriescono dalle interconnessioni utilizzate per costruire banchi di celle a combustibile/elettrolisi avvelenano lentamente i dispositivi.

"Quello che siamo stati in grado di dimostrare è che non solo possiamo invertire tale degradazione, ma in realtà migliorare le prestazioni al di sopra del valore iniziale controllando l'acidità dell'interfaccia dell'elettrodo ad aria", afferma Harry L. Tuller, Professore di R.P. Simmons di Ceramica e materiali elettronici nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT.

La ricerca, inizialmente finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso il National Energy Technology Laboratory (FECM) dell'Office of Fossil Energy and Carbon Management (FECM), dovrebbe aiutare il Dipartimento a raggiungere l'obiettivo di ridurre significativamente il tasso di degradazione delle celle a combustibile a ossido solido entro il 2035-2050 .

"L'estensione della durata delle celle a combustibile a ossido solido aiuta a fornire la produzione di idrogeno a basso costo e ad alta efficienza e la generazione di energia necessarie per un futuro di energia pulita", afferma Robert Schrecengost, direttore ad interim della Divisione di idrogeno con gestione del carbonio di FECM. "Il Dipartimento plaude a questi progressi per maturare e infine commercializzare queste tecnologie in modo da poter fornire energia pulita e affidabile per il popolo americano".

"Ho lavorato in quest'area per tutta la mia vita professionale e quello che ho visto fino ad ora sono per lo più miglioramenti incrementali", afferma Tuller, che è stato recentemente nominato 2022 Materials Research Society Fellow per il suo lavoro di lunga durata in solido- chimica di stato ed elettrochimica. "Le persone normalmente sono soddisfatte di vedere miglioramenti di fattori di 10 percento. Quindi, vedere effettivamente miglioramenti molto più ampi e, cosa importante, identificare l'origine del problema e i mezzi per aggirarlo, problemi con cui abbiamo lottato per in tutti questi decenni, è straordinario".

Dice James M. LeBeau, un altro professore del MIT coinvolto nel lavoro, "questo lavoro è importante perché potrebbe superare [alcuni] dei limiti che hanno impedito l'uso diffuso delle celle a combustibile a ossido solido. Inoltre, il concetto di base può essere applicato a molti altri materiali utilizzati per applicazioni nel campo energetico." LeBeau è il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali John Chipman

Il lavoro è stato riportato l'11 agosto, online, in Energy &Environmental Science . Altri autori dell'articolo sono Han Gil Seo, un borsista post-dottorato DMSE; Anna Staerz, ex borsista post-dottorato DMSE, ora presso l'Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) Belgio e presto si unirà alla facoltà della Colorado School of Mines; Dennis S. Kim, un associato post-dottorato DMSE; Dino Klotz, visiting scientist DMSE, ora alla Zurich Instruments; Michael Xu, uno studente laureato DMSE, e Clement Nicollet ex borsista post-dottorato DMSE, ora presso l'Université de Nantes. Seo e Staerz hanno contribuito in egual modo al lavoro.

Cosa hanno fatto

Una cella a combustibile/elettrolisi ha tre parti principali:due elettrodi (un catodo e un anodo) separati da un elettrolita. Nella modalità di elettrolisi, l'elettricità, ad esempio, dal vento, può essere utilizzata per generare combustibile immagazzinabile come metano o idrogeno. D'altra parte, nella reazione inversa della cella a combustibile, quel combustibile immagazzinabile può essere utilizzato per creare elettricità quando il vento non soffia.

Una cella a combustibile/elettrolisi funzionante è composta da molte celle singole che sono impilate insieme e collegate da interconnessioni metalliche in acciaio che includono l'elemento cromato per evitare che il metallo si ossidi. Ma "si scopre che alle alte temperature che queste cellule funzionano, parte di quel cromo evapora e migra verso l'interfaccia tra il catodo e l'elettrolita, avvelenando la reazione di incorporazione dell'ossigeno", dice Tuller. Dopo un certo punto, l'efficienza della cella è scesa a un punto tale che non vale più la pena di operare.

"Quindi, se puoi prolungare la vita della cella a combustibile/elettrolisi rallentando questo processo, o idealmente invertendolo, potresti fare molto per renderlo pratico", afferma Tuller.

Il team ha dimostrato che puoi fare entrambe le cose controllando l'acidità della superficie del catodo. Hanno anche spiegato cosa sta succedendo.

Cambiare l'acidità

Per ottenere i loro risultati, il team ha rivestito il catodo della cella a combustibile/elettrolisi con ossido di litio, un composto che cambia l'acidità relativa della superficie da acido a più basico. "Dopo aver aggiunto una piccola quantità di litio, siamo stati in grado di recuperare le prestazioni iniziali di una cellula avvelenata", afferma Tuller. Quando gli ingegneri hanno aggiunto ancora più litio, le prestazioni sono migliorate ben oltre il valore iniziale. "Abbiamo riscontrato miglioramenti da tre a quattro ordini di grandezza nella velocità di reazione chiave di riduzione dell'ossigeno e attribuiamo il cambiamento al popolamento della superficie dell'elettrodo con gli elettroni necessari per guidare la reazione di incorporazione dell'ossigeno".

Gli ingegneri hanno continuato spiegando cosa sta succedendo osservando letteralmente il materiale su scala nanometrica, o miliardesimi di metro, con la microscopia elettronica a trasmissione all'avanguardia e la spettroscopia di perdita di energia elettronica. "Eravamo interessati a comprendere la distribuzione dei diversi additivi chimici [cromo e ossido di litio] sulla superficie", afferma LeBeau.

Hanno scoperto che l'ossido di litio dissolve efficacemente il cromo per formare un materiale vetroso che non serve più a degradare le prestazioni del catodo.

Cosa c'è dopo?

Molte tecnologie come le celle a combustibile si basano sulla capacità degli ossidi solidi di inspirare rapidamente ossigeno dentro e fuori le loro strutture cristalline, dice Tuller. Il lavoro del MIT mostra essenzialmente come recuperare e accelerare tale capacità modificando l'acidità superficiale. Di conseguenza, gli ingegneri sono ottimisti sul fatto che il lavoro possa essere applicato ad altre tecnologie, inclusi, ad esempio, sensori, catalizzatori e reattori a permeazione di ossigeno.

Il team sta anche esplorando l'effetto dell'acidità sui sistemi avvelenati da diversi elementi, come la silice.

Conclude Tuller:"Come spesso accade nella scienza, ci si imbatte in qualcosa e si nota una tendenza importante che non era stata apprezzata in precedenza. Poi si testa ulteriormente quel concetto e si scopre che è davvero molto fondamentale". + Esplora ulteriormente

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