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O Material De fita fina Aumenta a Produção de Potência em Células Combustíveis

Published on June 22, 2010 at 7:57 PM

Um laboratório surpreendente do MIT que encontra sobre o comportamento de uma folha fina do material - menos do que um milésimo da espessura de um cabelo humano - poderia conduzir às maneiras melhoradas de estudar o comportamento dos eléctrodos e talvez finalmente às melhorias na taxa de produção de potência de um tipo de célula combustível, de acordo com um relatório publicado esta semana.

Este diagrama mostra a instalação experimental usada pelo Prof. Yang Shao-Chifre e sua equipe. Os círculos no fundo representam os eléctrodos de fita fina minúsculos feitos de um material chamado perovskite estrôncio-substituído do cobalto do lantânio, ou o LSC (cuja a estrutura de cristal diagrammed no superior esquerdo). O diagrama mostra a instalação do laboratório usada para medir a actividade catalítica do LSC. O entalhe circular mostra como as moléculas do oxigênio (O2) são trocadas na superfície de LSC. Ilustração pelo pesquisador pos-doctoral Eva Mutoro

Em muitos casos, as camadas finas de um material - que pode ser apenas algumas moléculas na espessura - exibem as propriedades diferentes dos blocos contínuos do mesmo material. Mas mesmo que este fosse um fenômeno conhecido, a natureza da diferença a equipe do MIT encontrada no comportamento dos filmes finos de um mineral chamado perovskite - neste caso, depositados como uma camada fina na superfície de um cristal da zircônia - “era muito inesperada,” diz o Shao-Chifre de Yang, professor adjunto da engenharia mecânica e a ciência e a engenharia de materiais no MIT, que conduziu a pesquisa. O trabalho foi feito em colaboração com Hans Batiza e Michael Biegalski no Laboratório Nacional de Oak Ridge.

Em células combustíveis, um combustível tal como o hidrogênio ou o metanol reagem na presença de um catalizador, liberando sua energia quimicamente um pouco do que sendo queimado. Em conseqüência, podem produzir a electricidade do combustível sem liberar gáses de estufa ou outros poluentes, e assim que são considerados uma abordagem alternativa prometedora para gerar a electricidade. E ao contrário das baterias, que precisam de ser recarregadas em um processo demorado, uma célula combustível pode ser reabastecida rapidamente.

A barreira principal a conseguir a maior eficiência nas células combustíveis, que são consideradas uma maneira prometedora de fornecer a electricidade para o transporte futuro ou sistemas de energia estacionários, é a taxa lenta da produção do cátodo, um do oxigênio dos dois terminais elétricos no dispositivo. Nas células combustíveis actuais, a taxa de produção do oxigênio é o factor de limitação nas saídas de potência do dispositivo. Muitas equipes estão levando a cabo maneiras de melhorar a eficiência e de reduzir os custos dos dois tipos principais de células combustíveis: células combustíveis de células combustíveis (SOFCs) do contínuo-óxido e da membrana da Proton-troca (PEMFCs). Este trabalho endereça melhorias potenciais no cátodo em SOFCs, que poderia encontrar a aplicação em sistemas em grande escala tais como centrais eléctricas elétricos. A pesquisa nova sugere que esta actividade possa ser aumentada até por um de cem vezes usando filmes finos de determinados compostos do perovskite.

A pesquisa Precedente tinha encontrado o oposto, esse os filmes finos de alguns materiais do perovskite eram cem vezes menos reactivos do que o material de maioria, Shao-Chifre diz. Os resultados novos são publicados em linha no jornal Alemão Angewandte Chemie; os autores principais são o la O de Gerardo do estudante anterior' e pesquisador pos-doctoral Cantar-Jin Ahn. O trabalho foi apoiado pelo NSF, pelo Ministério de E.U. de Energia, pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge e pela Universidade do Rei Abdullah da Ciência e da Tecnologia.

Criando o tipo dos filmes finos da alto-pureza do material usados neste estudo - neste caso, tão finamente como 20 nanômetros, ou billionths de um medidor - é possível estudar os detalhes de como a superfície do material reage no detalhe muito maior do que foi possível na pesquisa com materiais de maioria. Esta pesquisa mostra que as características de fita fina originais podem aumentar a actividade catalítica.

“Ao nosso conhecimento, isto é a primeira vez que estes filmes finos foram mostrados à exibição” a actividade aumentada, Shao-Chifre diz. A equipe está continuando a pesquisa a verificar sua hipótese sobre as razões para a actividade aumentada, e a explorar uma família dos materiais que podem exibir propriedades similares. “Nós estamos trabalhando em determinar porque” o nível de actividade é tão alto, o Shao-Chifre diz, sugerindo que a reactividade aumentada do material possa resultar de um esticão da superfície. Isto pode mudar o índice de vagas do oxigênio ou a estrutura eletrônica do material, as possibilidades que estão sendo examinadas no grupo dos Shao-Chifres.

Quando muitas células combustíveis usarem os eléctrodos feitos dos metais preciosos tais como a platina, os eléctrodos nesta experiência estão feitos dos materiais relativamente abundantes tais como o cobalto, lantânio e o estrôncio, Shao-Chifre diz, assim que devem ser relativamente baratos produzir. Além, este material trabalha em umas temperaturas muito mais baixas do que os eléctrodos existentes de SOFC, que poderiam ser uma vantagem porque “em umas mais baixas temperaturas, degradação material podem muito ser reduzidos,” diz. Considerando Que as pilhas actuais trabalham em temperaturas de 800 graus Célsio ou mais altos, a aproximação nova pôde conduzir aos materiais que poderiam trabalhar em 500 graus de Celsius, como era o caso nestes testes.

Este trabalho é apenas a primeira etapa, contudo. O Shao-Chifre força que este é o começo de uma área de pesquisa fundamental nova, e poderia conduzir à exploração de uma família inteira de compostos possíveis à procura de um com uma combinação óptima de actividade catalítica alta e de estabilidade alta. Este material altamente reactivo podia encontrar uma HOME nos lugares diferentes das células combustíveis: por exemplo, em sensores de alta temperatura e nas membranas usadas para separar o oxigênio do nitrogênio e dos outros gáss, diz.

Last Update: 12. January 2012 01:09

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