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Haute pureté films minces de matériau peut augmenter l'efficacité Fuel Cell

Published on June 25, 2010 at 2:34 AM

Un laboratoire du MIT surprenant de trouver sur le comportement d'une feuille mince de matière - moins d'un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain - pourrait conduire à de meilleurs moyens d'étudier le comportement des électrodes et peut-être finalement à l'amélioration du taux de production d'électricité à partir un type de pile à combustible, selon un rapport publié cette semaine.

Dans de nombreux cas, des couches minces d'un matériau - qui peut être juste un peu de molécules d'épaisseur - présentent des propriétés différentes de blocs solides de la même matière. Mais même si cela est un phénomène connu, la nature de la différence de l'équipe du MIT a trouvé dans le comportement des films minces d'un minéral appelé perovskite - dans ce cas, déposé en couche mince sur la surface d'un cristal de zircon - "a été beaucoup inattendus », dit Yang Shao-Horn, professeur agrégé de génie mécanique et science des matériaux et l'ingénierie au MIT, qui a dirigé la recherche. Le travail a été réalisé en collaboration avec Hans Christen et Michael Biegalski à Oak Ridge National Laboratory.

Un matériau appelé le strontium-cobalt de lanthane substitué perovskite, ou LSC, dont la structure cristalline est montré ici.

Dans les piles à combustible, un combustible tel que l'hydrogène ou du méthanol réagit en présence d'un catalyseur, en libérant son énergie chimique plutôt que d'être brûlé. En conséquence, ils peuvent produire de l'électricité à partir de carburant sans relâcher les gaz à effet de serre ou d'autres polluants, et sont donc considérés comme une approche alternative prometteuse pour produire de l'électricité. Et contrairement aux batteries, qui ont besoin d'être rechargée dans un processus de longue haleine, une pile à combustible peut être ravitaillé rapidement.

Le principal obstacle à une plus grande efficacité dans les piles à combustible, qui sont considérés comme une voie prometteuse de fourniture d'électricité pour le transport de l'avenir ou de systèmes d'énergie fixe, est le faible taux de production d'oxygène de la cathode, l'une des deux bornes électriques dans l'appareil. Dans les piles à combustible actuelle, le taux de production d'oxygène est le facteur limitant dans la puissance de sortie de l'appareil. De nombreuses équipes poursuivent les moyens d'améliorer l'efficacité et réduire les coûts des deux grands types de piles à combustible: les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et échange de protons des cellules à combustible à membrane (PEMFC). Ce travail aborde les améliorations possibles dans la cathode dans les SOFC, qui pourrait trouver une application à grande échelle de systèmes tels que les centrales électriques. La nouvelle recherche suggère que cette activité peut être augmentée jusqu'à centuple en utilisant des films minces de composés perovskite certains.

Des recherches antérieures avaient trouvé le contraire, que des films minces de certains matériaux pérovskite ont été cent fois moins réactif que le matériau en vrac, Shao-Horn dit. Les nouveaux résultats sont publiés en ligne dans la revue Angewandte Chemie allemande; principaux auteurs sont d'anciens étudiants Gerardo la O 'et chercheur postdoctoral Ahn Sung-Jin. Le travail a été soutenu par la NSF, le département américain de l'Énergie, Oak Ridge National Laboratory et le roi Abdullah University of Science et Technologie.

En créant le genre de haute pureté des films minces de matériau utilisé dans cette étude - dans ce cas, aussi fine que 20 nanomètres, ou milliardièmes de mètre - il est possible d'étudier les détails de comment la surface de la matière réagit bien plus en détail qu'il n'a été possible dans la recherche avec des matériaux en vrac. Cette recherche montre que uniques minces caractéristiques peuvent améliorer l'activité catalytique.

«A notre connaissance, c'est la première fois que ces films minces ont été démontré que« l'augmentation de l'activité, Shao-Horn dit. L'équipe poursuit ses recherches afin de vérifier leur hypothèse sur les raisons de l'augmentation de l'activité, et d'explorer une famille de matériaux qui peuvent présenter des propriétés similaires. «Nous travaillons sur la détermination de laquelle« le niveau d'activité est si élevé, Shao-Horn dit, suggérant que la réactivité accrue du matériel peut résulter d'un étirement de la surface. Cela peut modifier le contenu de lacunes d'oxygène ou de la structure électronique des documents, des possibilités qui sont examinées dans le groupe Shao-Horn.

Alors que de nombreuses piles à combustible utilisent des électrodes faites de métaux précieux comme le platine, les électrodes dans cette expérience sont fabriqués à partir de matériaux relativement abondante comme le cobalt, le lanthane et le strontium, Shao-Horn dit, elles doivent donc être relativement peu coûteux à produire. En outre, ce matériel fonctionne à des températures beaucoup plus faibles que les électrodes SOFC existants, ce qui pourrait être un avantage parce que "à basse température, la dégradation du matériau peut être considérablement réduite», dit-elle. Alors que les cellules actuelles travailler à des températures de 800 degrés Celsius ou plus, la nouvelle approche pourrait conduire à des matériaux qui pourraient travailler à 500 degrés Celsius, comme ce fut le cas lors de ces essais.

Ce travail est juste la première étape, cependant. Shao-Horn souligne que c'est le début d'une zone de recherche fondamentale de nouvelles, et pourrait conduire à l'exploration de toute une famille de composés possibles à la recherche d'un avec une combinaison optimale de l'activité catalytique élevée et une haute stabilité. Ce matériau très réactif pourrait trouver une maison dans des endroits autres que les piles à combustible: par exemple, à haute température des capteurs et dans les membranes utilisées pour séparer l'oxygène de l'azote et autres gaz, dit-elle.

Source: http://web.mit.edu/

Last Update: 4. October 2011 11:58

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