Твердооксидные топливные элементы, в которых используются недорогие керамические материалы, являются одними из наиболее эффективных и многообещающих типов топливных элементов. Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона нашли способ использовать квантовое поведение этих топливных элементов, чтобы сделать их еще более эффективными и надежными.
При этом они наблюдали новый тип фазового перехода в оксидном материале.Исследование описано в журнале Nature.Топливные элементы работают как батареи — вырабатывая электрический ток, заставляя электроны проходить между двумя электродами, анодом и катодом, разделенными электролитом. В отличие от батарей топливные элементы не нуждаются в перезарядке.
Все, что им нужно, — это топливо, в основном в виде водорода.Когда водород подается на анод, он расщепляется на протон и электрон. Электролит действует как вышибала в эксклюзивном клубе, блокируя входящие электроны и пропуская протоны. Электроны вынуждены проходить долгий путь через внешнюю цепь, которая создает поток электричества.
С другой стороны ячейки в катод подается воздух. Когда протоны проходят через электролит, а электроны проходят через контур, они объединяются с кислородом, чтобы произвести воду и тепло — единственные выбросы, генерируемые топливными элементами.Но у сегодняшних твердооксидных топливных элементов есть серьезная проблема.
Со временем топливо вступает в реакцию с электролитом, снижая его эффективность. Вскоре этот химический баунсер пропускает и протоны, и электроны, в результате чего электрический ток, проходящий через внешнюю цепь, становится все слабее и слабее.Решение этой проблемы могло быть найдено Шрирамом Раманатаном, приглашенным научным сотрудником в области материаловедения и машиностроения в SEAS, и его аспирантом Ю Чжоу. Пара обнаружила, что, спроектировав электролит на квантовом уровне, они могут создать материал, который становится более прочным при контакте с топливом.
«Мы объединили области квантовой материи и электронной химии таким образом, что привело к открытию нового высокоэффективного материала, способного фазовый переход от металла к ионному проводнику», — сказал Раманатан, который в настоящее время является профессором инженерии в Purdue. Университет.Раманатан и его команда использовали никелат со структурой перовскита в качестве электролита.
Сам по себе никелат проводит как электроны, так и ионы, как протоны, что делает его довольно паршивым электролитом. Но команда покрыла поверхность никелата катализатором, а затем впрыснула или «легировала» ее электронами. Эти электроны присоединились к электронной оболочке иона никеля и превратили материал из электронного проводника в ионный проводник.
«Теперь ионы могут очень быстро перемещаться в этом материале, в то же время подавляется поток электронов», — сказал Чжоу. «Это новое явление, которое может значительно улучшить характеристики топливных элементов».«Элегантность этого процесса в том, что он происходит естественным образом при воздействии электронов в топливе», — сказал Раманантан. «Эта техника может быть применена к другим электрохимическим устройствам, чтобы сделать их более надежными.
Это похоже на шахматы — раньше мы могли играть только пешками и слонами, инструментами, которые могли двигаться в ограниченных направлениях. Теперь мы играем ферзем».