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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

High-Purity Thin Films von Material erhöhen Fuel Cell Efficiency

Published on June 25, 2010 at 2:34 AM

Eine überraschende MIT Laborbefund über das Verhalten von einer dünnen Schicht von Material - weniger als ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares - könnte zu einer verbesserten Möglichkeiten zur Untersuchung des Verhaltens der Elektroden führen und am Ende vielleicht zu Verbesserungen in der Geschwindigkeit der Stromerzeugung aus eine Art von Brennstoffzelle, nach einem diese Woche veröffentlichten Bericht.

In vielen Fällen, dünne Schichten aus einem Material - das kann nur ein paar Moleküle dick sein - weisen andere Eigenschaften als feste Blöcke aus dem gleichen Material. Aber auch wenn dies ein bekanntes Phänomen, das Wesen des Unterschieds der MIT-Team in das Verhalten von dünnen Filmen aus einem Mineral namens Perowskit gefunden wird - in diesem Fall hinterlegt als dünne Schicht auf der Oberfläche eines Kristalls aus Zirkonoxid - "war sehr unerwartet ", sagt Yang Shao-Horn, Associate Professor für Maschinenbau und Werkstoffkunde und Werkstofftechnik am MIT, der die Studie leitete. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Hans Christen und Michael Biegalski am Oak Ridge National Laboratory durchgeführt.

Ein Material mit dem Namen Strontium-substituierten Lanthan Kobalt Perowskit oder LSC, deren Kristallstruktur wird hier gezeigt.

In Brennstoffzellen reagiert ein Brennstoff, wie Wasserstoff oder Methanol in Gegenwart eines Katalysators, die Freigabe seiner Energie chemisch anstatt verbrannt. Als Ergebnis können sie Strom aus Brennstoff zu produzieren ohne Freisetzung von Treibhausgasen oder anderen Schadstoffen, und so gelten als vielversprechende Alternative Ansatz zur Erzeugung von Strom. Und im Gegensatz zu Batterien, die in einem zeitraubenden Prozess aufgeladen werden müssen, kann eine Brennstoffzelle schnell betankt werden.

Das Haupthindernis für mehr Effizienz in Brennstoffzellen, die ein viel versprechender Weg der Elektrizitätsversorgung für den späteren Transport oder stationäre Systeme betrachtet werden, ist die langsame Geschwindigkeit der Sauerstoff-Produktion von der Kathode, einer der beiden elektrischen Anschlüsse in das Gerät. In der heutigen Brennstoffzellen, ist die Geschwindigkeit der Sauerstoff-Produktion der limitierende Faktor in der Leistung des Gerätes. Viele Teams verfolgen Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz und Senkung der Kosten der beiden großen Arten von Brennstoffzellen: Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC). Diese Arbeit beschäftigt sich mögliche Verbesserungen in der Kathode in SOFCs, die Anwendung in Großanlagen wie Kraftwerken finden konnte. Die neuen Forschungsergebnisse legen nahe, dass diese Aktivität durch gesteigert werden kann bis zu hundertfach mit dünnen Filmen aus bestimmten Perowskit-Verbindungen.

Frühere Untersuchungen hatten das Gegenteil festgestellt, dass dünne Schichten von einigen Perowskit Materialien hundertmal weniger reaktiv als das Schüttgut wurden, sagt Shao-Horn. Die neuen Ergebnisse sind online in der deutschen Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht, die führenden Autoren sind ehemalige Schüler Gerardo la O 'und Postdoktorand Sung-Jin Ahn. Die Arbeit wurde von der NSF, das US Department of Energy, Oak Ridge National Laboratory und der King Abdullah University of Science and Technology unterstützt.

Durch die Schaffung der Art von hochreinen dünnen Schichten des Materials in dieser Studie verwendet - in diesem Fall so dünn wie 20 Nanometer oder Milliardstel Meter - es ist möglich, um die Details, wie die Oberfläche des Materials reagiert viel Studium näher, als dies bisher in der Forschung mit Schüttgütern möglich. Diese Forschung zeigt, dass einzigartige Dünnschicht-Eigenschaften kann die katalytische Aktivität zu erhöhen.

Die erhöhte Aktivität "Nach unserem Kenntnisstand das erste Mal diese dünne Filme die gezeigt haben, weisen", sagt Shao-Horn. Das Team ist weiterhin der Forschung, um ihre Hypothese über die Gründe für die erhöhte Aktivität zu überprüfen und zu einer Familie von Materialien, die ähnliche Eigenschaften aufweisen kann zu erkunden. Das Aktivitätsniveau so hoch ist: "Wir sind auf die Bestimmung, warum arbeiten", sagt Shao-Horn, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Reaktivität des Materials kann von einer Dehnung der Oberfläche führen. Dies könnte sich ändern den Inhalt von Sauerstoff-Fehlstellen oder die elektronische Struktur des Materials, die Möglichkeiten, die in Shao-Horn Gruppe untersucht.

Während viele Brennstoffzellen-Elektroden aus Edelmetallen wie Platin zu verwenden, die Elektroden in diesem Experiment aus relativ reichlich Materialien wie Kobalt, Lanthan und Strontium gemacht werden, sagt Shao-Horn, so sollten sie relativ kostengünstig zu produzieren. Darüber hinaus dieses Material bei viel niedrigeren Temperaturen als die bestehenden SOFC-Elektroden, was ein Vorteil sein könnte, weil works "bei niedrigeren Temperaturen, Materialabbau wesentlich reduziert werden kann", sagt sie. Während gegenwärtige Zellen bei Temperaturen von 800 Grad Celsius oder höher arbeiten, können das neue Konzept der Materialien, die bei 500 Grad Celsius funktionieren könnte dazu führen, wie es der Fall bei diesen Tests.

Diese Arbeit ist nur der erste Schritt. Shao-Horn betont, dass dies der Beginn einer neuen Grundlagenforschung Gebiet ist, und könnte zu Erforschung einer ganzen Familie von möglichen Verbindungen auf der Suche nach einer mit einer optimalen Kombination aus hoher katalytischer Aktivität und hoher Stabilität führen. Diese hochreaktiven Material könnte ein Haus an anderen Orten als Brennstoffzellen zu finden: zum Beispiel in Hochtemperatur-Sensoren und in Membranen verwendet werden, um Sauerstoff aus Stickstoff und andere Gase zu trennen, sagt sie.

Quelle: http://web.mit.edu/

Last Update: 4. October 2011 11:58

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