Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Thin-Film Material Øker kraftproduksjon i Fuel Cells

Published on June 22, 2010 at 7:57 PM

Et overraskende MIT laboratorium funn om virkemåten til et tynt ark av materialet - mindre enn en tusendel av tykkelsen til et hårstrå - kan føre til bedre måter å studere oppførselen til elektroder og kanskje til slutt til forbedringer i frekvensen av kraftproduksjon fra en type brenselcelle, ifølge en rapport publisert denne uken.

Dette diagrammet viser det eksperimentelle oppsettet benyttet av professor Yang Shao-Horn og hennes team. Sirklene i bakgrunnen representerer lille tynn-film elektroder laget av et materiale kalt strontium-substituerte lantan kobolt perovskite, eller LSC (hvis krystallstrukturen er diagrammed øverst til venstre). Diagrammet viser lab setup brukes til å måle den katalytiske aktiviteten til LSC. Rundskrivet cutout viser hvordan oksygenmolekyler (O2) er utvekslet på LSC overflaten. Illustrasjon av postdoktor Eva Mutoro

I mange tilfeller er tynne lag av et materiale - som kan være bare noen få molekyler i tykkelse-utstillingen egenskaper forskjellig fra solide blokker av samme materiale. Men selv om dette er et kjent fenomen, arten av forskjellen MIT teamet funnet i oppførsel av tynne filmer av et mineral som heter perovskite - i dette tilfellet, avsatt som et tynt lag på overflaten av en krystall av zirconia - "ble veldig mye uventet, "sier Yang Shao-Horn, førsteamanuensis i maskinteknikk og materialteknologi ved MIT, som ledet forskningen. Arbeidet ble gjort i samarbeid med Hans Christen og Michael Biegalski ved Oak Ridge National Laboratory.

I brenselceller, reagerer et drivstoff som hydrogen eller metanol i nærvær av en katalysator, frigjør energien kjemisk heller enn å bli brent. Som et resultat, kan de produsere elektrisitet fra drivstoff uten å slippe klimagasser eller andre forurensende stoffer, og så er ansett som et lovende alternativ tilnærming for å generere elektrisitet. Og i motsetning til batterier, som må lades i en tidkrevende prosess, kan en brenselcelle kan fylles raskt.

Den viktigste barrieren for å oppnå større effektivitet i brenselceller, som er ansett som en lovende måte å levere elektrisitet til fremtidig transport eller stasjonær kraftsystemer er langsom hastighet av oksygen produksjon fra katoden, en av de to elektriske terminaler i enheten. I dagens brenselceller, er satsen av oksygen produksjon den begrensende faktoren i strømforbruket enheten. Mange team arbeider med måter å forbedre effektiviteten og redusere kostnadene ved de to store typer brenselceller: solid-oksid brenselceller (SOFCs) og proton-utveksling membran brenselceller (PEMFCs). Dette arbeidet adresser potensielle forbedringer i katoden i SOFCs, som kunne finne anvendelse i store systemer som elektriske kraftverk. Den nye forskningen tyder på at denne aktiviteten kan økes med opp til hundre med tynne filmer av visse perovskite forbindelser.

Tidligere forskning hadde funnet det motsatte, at tynne filmer av noen perovskite materialene ble hundre ganger mindre reaktivt enn bulk materiale, sier Shao-Horn. De nye resultatene er publisert i det tyske tidsskriftet Angewandte Chemie, de ledende forfatterne er tidligere student Gerardo la O 'og postdoktor Sung-Jin Ahn. Arbeidet ble støttet av NSF, US Department of Energy, Oak Ridge National Laboratory og kongen Abdullah University of Science and Technology.

Ved å skape den type høyrent tynne filmer av materialet som brukes i denne studien - i dette tilfellet, så tynne som 20 nanometer, eller billionths av en meter - er det mulig å studere detaljene i hvordan overflaten av materialet reagerer i mye større detalj enn det som har vært mulig i forskning med bulk materialer. Denne forskningen viser at unike tynn-film kjennetegn kan forbedre katalytisk aktivitet.

"Så vidt vi vet er dette første gang disse tynne filmer blitt vist til utstillingen" den økte aktiviteten, sier Shao-Horn. Teamet er fortsatt forskning for å bekrefte sin hypotese om årsakene til den økte aktiviteten, og å utforske en familie av materialer som kan ha tilsvarende egenskaper. "Vi jobber med å fastslå hvorfor" aktivitetsnivået er så høy, sier Shao-Horn, som tyder på at økt reaktivitet av materialet kan skyldes en strekking av overflaten. Dette kan endre innholdet av oksygen stillinger eller den elektroniske strukturen av materialet, muligheter som blir undersøkt i Shao-Horn sin gruppe.

Mens mange brenselceller bruker elektroder laget av edle metaller som platina, er elektroder i dette eksperimentet laget av relativt rikelig materiale som kobolt, lantan og strontium, sier Shao-Horn, så de bør være relativt billig å produsere. I tillegg fungerer dette materialet ved mye lavere temperaturer enn eksisterende SOFC elektroder, som kan være en fordel fordi "ved lavere temperaturer, kan materialet nedbrytning være mye redusert," sier hun. Mens dagens cellene arbeide ved temperaturer på 800 grader Celsius eller høyere, kan den nye tilnærmingen fører til materialer som kan arbeide på 500 grader Celsius, slik tilfellet var i disse testene.

Dette arbeidet er bare det første skrittet, imidlertid. Shao-Horn understreker at dette er begynnelsen på en ny grunnleggende forskning område, og kan føre til utforskning av en hel familie av mulige forbindelser på jakt etter en med en optimal kombinasjon av høy katalytisk aktivitet og høy stabilitet. Denne svært reaktivt stoff kunne finne et hjem i andre steder enn brenselceller: for eksempel i høy-temperatur sensorer og membraner som brukes til å skille oksygen fra nitrogen og andre gasser, sier hun.

Last Update: 10. October 2011 15:50

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit