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DünnschichtMaterial Erhöht Energieerzeugung in den Brennstoffzellen

Published on June 22, 2010 at 7:57 PM

Ein überraschendes MIT-Labor, das über das Verhalten Feinbleche des Materials findet - kleiner als ein tausendstes der Stärke eines Menschenhaars - könnte zu verbesserten Methoden von das Verhalten von Elektroden möglicherweise schließlich studieren und zu Verbesserungen in der Kinetik der Energieerzeugung von einem Baumuster Brennstoffzelle, entsprechend einem Bericht führen, der diese Woche veröffentlicht wurde.

Dieses Diagramm zeigt die experimentelle Installation, die von Prof Yang Shao-Hupe und ihr Team verwendet wird. Die Kreise im Hintergrund stellen die kleinen Dünnschichtelektroden dar, die von einem Material hergestellt werden, das Strontium-ersetzten Lanthankobaltperowskit genannt wird, oder LSC (dessen Kristallstruktur oben nach links grafisch dargestellt wird). Das Diagramm zeigt die Laborinstallation, die verwendet wird, um die katalytische Aktivität des LSC zu messen. Der Kreisunterbrecher zeigt, wie Sauerstoffmoleküle (O2) auf der LSC-Oberfläche ausgetauscht werden. Abbildung durch Habilitationsforscher Eva Mutoro

In vielen Fällen weisen Dünnschichten eines Materials - das möglicherweise gerade einige Moleküle in der Stärke ist - die Eigenschaften auf, die zu festen Blöcken des gleichen Materials unterschiedlich sind. Aber, selbst wenn dieses ein bekanntes Phänomen ist, war die Art des Unterschiedes das MIT-Team, das im Verhalten von den Dünnfilmen eines Minerals genannt wurde Perowskit gefunden wurde - in diesem Fall, abgegeben wie eine Dünnschicht auf der Oberfläche eines Kristalles des Zirkoniumdioxids - „sehr viel unerwartet,“ sagt Yang-Shao-Hupe, außerordentlichen Professor des Maschinenbaus und der Materialwissenschaft und der -technik an MIT, das die Forschung führte. Die Arbeit wurde gemeinsam mit Hans Christen und Michael Biegalski an Oak Ridge Nationalem Laboratorium erledigt.

In den Brennstoffzellen reagiert ein Kraftstoff wie Wasserstoff oder Methanol in Anwesenheit eines Katalysators und gibt seine Energie chemisch eher als brennend frei. Infolgedessen können es Strom aus Kraftstoff produzieren, ohne Treibhausgase oder andere Schadstoffe freizugeben und also, gelten als einen viel versprechenden alternativen Ansatz für das Erzeugen des Stroms. Und anders als Batterien, die in einem aufwändigen Verfahren neugeladen werden müssen, kann eine Brennstoffzelle schnell betankt werden.

Die Hauptsperre zum Erzielen der größeren Leistungsfähigkeit in den Brennstoffzellen, die als eine viel versprechende Methode der Lieferung des Stroms für zukünftigen Transport oder stationäre Stromnetze gelten, ist die langsame Kinetik von Sauerstoffproduktion von der Kathode, eins der zwei elektrischen Endstücke in der Einheit. In den anwesenden Brennstoffzellen ist die Kinetik der Sauerstoffproduktion der Begrenzungsfaktor in der Leistungsabgabe der Einheit. Viele Teams üben Methoden des Verbesserns der Leistungsfähigkeit und der Verringerung der Kosten der zwei bedeutenden Arten von Brennstoffzellen aus: Festoxid Brennstoffzellen (SOFCs) und Protonaustausch Membranbrennstoffzellen (PEMFCs). Diese Arbeit adressiert mögliche Verbesserungen in der Kathode in SOFCs, das Anwendung in den umfangreichen Anlagen wie Pflanzen des Stroms finden könnte. Die neue Forschung schlägt vor, dass diese Aktivität durch ein bis hundertfaches erhöht werden kann, indem man Dünnfilme von bestimmten Perowskitmitteln verwendet.

Vorhergehende Forschung hatte das Gegenteil gefunden, dieses waren Dünnfilme etwas Perowskitmaterialien hundertmal weniger reagierend, als das Massenmaterial, Shao-Hupe sagt. Die neuen Ergebnisse werden online im Deutschen Zapfen Angewandte Chemie veröffentlicht; die führenden Autoren sind ehemaliger Student Gerardo-La O' und Habilitationsforscher Singen-Jin Ahn. Die Arbeit wurde durch das NSF, das US-Energieministerium, Oak Ridge Nationales Laboratorium und die Hochschule Für Wissenschaft Und Technik König-Abdullah unterstützt.

Indem man die Art Dünnfilmen von den von hohem Reinheitsgrad des Materials verwendet in dieser Studie - in diesem Fall, so dünn wie 20 nm, oder Billionste eines Meters - es ist möglich, um zu studieren die Details von, wie die Oberfläche des Materials ausführlich viel größeres als reagiert, ist gewesen möglich in der Forschung mit Massenmaterialien erstellt. Diese Forschung zeigt, dass eindeutige Dünnschichteigenschaften katalytische Aktivität erhöhen können.

„Unseres Wissens, ist dieses, das erste mal diese Dünnfilme zur Ausstellung“ die erhöhte Aktivität gezeigt worden sind, Shao-Hupe sagt. Das Team setzt Forschung, um ihre Hypothese über die Gründe für die erhöhte Aktivität zu überprüfen, fort und eine Familie von Materialien zu erforschen, die möglicherweise ähnliche Eigenschaften aufweisen. „Wir arbeiten an der Bestimmung, warum“ der Beschäftigungsgrad so hoch ist, schlägt Shao-Hupe sagt vor und dass die erhöhte Reaktivität möglicherweise des Materials aus einem Ausdehnen der Oberfläche resultiert. Dieses ändert möglicherweise den Inhalt von Sauerstofffreien stellen oder die elektronische Zelle des Materials, Möglichkeiten, die in der Gruppe der Shao-Hupen geprüft werden.

Während viele Brennstoffzellen die Elektroden verwenden, die von den Edelmetallen wie Platin hergestellt werden, werden die Elektroden in diesem Experiment von den verhältnismäßig reichlichen Materialien wie Kobalt, Lanthan hergestellt und Strontium, Shao-Hupe sagt, also sollten sie verhältnismäßig billig sein zu produzieren. Darüber hinaus arbeitet dieses Material bei den viel niedrigeren Temperaturen, als existierende SOFC-Elektroden, die ein Vorteil weil „bei den niedrigeren Temperaturen sein konnten, materieller Abbau viel verringert werden können,“ sagt sie. Während aktuelle Zellen bei den Temperaturen von 800 Grad Celsius oder höher arbeiten, führte möglicherweise das neue Konzept zu Materialien, die bei 500 Grad Celsius arbeiten konnten, wie war der Fall in diesen Prüfungen.

Diese Arbeit ist gerade der erste Schritt, jedoch. Shao-Hupe betont, dass dieses der Anfang eines neuen Grundlagenforschungsbereiches ist, und könnte zu Erforschung einer ganzen Familie der möglichen Mittel auf der Suche nach einem mit einer optimalen Kombination der hohen katalytischer Aktivität und der hohen Stabilität führen. Dieses in hohem Grade reagierende Material konnte ein Haus in den Plätzen anders als Brennstoffzellen finden: zum Beispiel in den Hochtemperaturfühlern und in den Membranen verwendet, um sich Sauerstoff vom Stickstoff und von anderen Gasen zu trennen, sagt sie.

Last Update: 12. January 2012 07:22

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