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Elevata purezza film sottili di materiali può aumentare efficienza delle celle a combustibile

Published on June 25, 2010 at 2:34 AM

Un laboratorio del MIT sorprendente scoperta circa il comportamento di un sottile foglio di materiale - meno di un millesimo dello spessore di un capello umano - potrebbe portare a migliori metodi di studio del comportamento degli elettrodi e, forse, in ultima analisi, al miglioramento del tasso di produzione di energia da un tipo di cella a combustibile, secondo un rapporto pubblicato questa settimana.

In molti casi, strati sottili di un materiale - che può essere solo poche molecole di spessore - presentano caratteristiche diverse da solidi blocchi dello stesso materiale. Ma anche se questo è un fenomeno noto, la natura della differenza il team del MIT trovato nel comportamento di film sottili di un minerale chiamato perovskite - in questo caso, depositato un sottile strato sulla superficie di un cristallo di ossido di zirconio - "è stato molto inaspettato ", dice Yang Shao-Horn, professore associato di ingegneria meccanica e scienze dei materiali e ingegneria al MIT, che ha guidato la ricerca. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Hans Christen e Michael Biegalski a Oak Ridge National Laboratory.

Un materiale chiamato stronzio-sostituito lantanio cobalto perovskite, o LSC, la cui struttura cristallina è mostrato qui.

Nelle celle a combustibile, un combustibile come l'idrogeno o metanolo reagisce in presenza di un catalizzatore, liberando la sua energia chimica piuttosto che essere bruciato. Di conseguenza, possono produrre energia elettrica da combustibile senza rilasciare gas serra o altri inquinanti, e così sono considerato un approccio promettente alternativa per la produzione di energia elettrica. E a differenza delle batterie, che devono essere ricaricate in un processo che richiede tempo, una cella a combustibile può essere riforniti rapidamente.

Il principale ostacolo per ottenere una maggiore efficienza nelle celle a combustibile, che sono considerati una soluzione promettente per la fornitura di energia elettrica per utilizzi futuri o sistemi di alimentazione fissa, è il basso tasso di produzione di ossigeno dal catodo, uno dei due terminali elettrici nel dispositivo. Nelle celle a combustibile Attualmente, il tasso di produzione di ossigeno è il fattore limitante nella produzione di potenza del dispositivo. Molte squadre sono i propri modi di migliorare l'efficienza e riducendo i costi dei due principali tipi di celle a combustibile: ossido solido celle a combustibile (SOFC) e scambio protonico celle a combustibile a membrana (PEMFCs). Questo lavoro affronta potenziali miglioramenti nel catodo in SOFC, che potrebbe trovare applicazione in larga scala di sistemi come le centrali elettriche. La nuova ricerca suggerisce che questa attività può essere aumentata fino a cento volte utilizzando film sottili di composti perovskite certo.

Una precedente ricerca aveva trovato il contrario, che i film sottili di alcuni materiali perovskite sono stati un centinaio di volte meno reattivo rispetto al materiale sfuso, Shao-Horn dice. I nuovi risultati sono stati pubblicati online sulla rivista tedesca Angewandte Chemie, gli autori di piombo sono ex studente Gerardo la O 'e ricercatore postdoctoral Sung-Jin Ahn. Il lavoro è stato sostenuto dalla NSF, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Oak Ridge National Laboratory e il re Abdullah University of Science and Technology.

Con la creazione del tipo di elevata purezza film sottili di materiale utilizzato in questo studio - in questo caso, il più sottile 20 nanometri, o miliardesimi di metro - è possibile studiare i dettagli di come la superficie del materiale reagisce in gran più dettagliato che non è stato possibile nella ricerca di materiali alla rinfusa. Questa ricerca mostra che le uniche a film sottile caratteristiche possono aumentare l'attività catalitica.

"A nostra conoscenza, questa è la prima volta questi film sottili sono stati indicati per esporre" la maggiore attività, Shao-Horn dice. Il team di ricerca sta continuando a verificare la loro ipotesi circa i motivi della maggiore attività, e di esplorare una famiglia di materiali che possono presentare caratteristiche simili. "Stiamo lavorando sulla determinazione perché" il livello di attività è così alto, Shao-Horn, afferma, suggerendo che la maggiore reattività del materiale possono derivare da uno stiramento della superficie. Questo potrebbe cambiare il contenuto di ossigeno dei posti vacanti o la struttura elettronica del materiale, le possibilità che vengono esaminati in gruppo Shao-Horn.

Mentre le celle a combustibile molti usano elettrodi in metalli preziosi come il platino, gli elettrodi in questo esperimento sono realizzati con materiali relativamente abbondante come il cobalto, lantanio e stronzio, Shao-Horn dice, per cui dovrebbero essere relativamente poco costosi da produrre. Inoltre, questo materiale lavora a temperature molto più basse rispetto agli attuali elettrodi SOFC, che potrebbe essere un vantaggio, perché "a temperature più basse, il degrado materiale può essere molto ridotto," dice. Mentre le cellule di lavoro in corso a temperature di 800 gradi Celsius o superiore, il nuovo approccio potrebbe portare a materiali che potrebbero lavorare a 500 gradi centigradi, come è avvenuto in questi test.

Questo lavoro è solo il primo passo, però. Shao-Horn sottolinea che questo è l'inizio di una nuova area di ricerca fondamentale, e potrebbe portare a esplorazione di un'intera famiglia di composti possibili alla ricerca di una con una combinazione ottimale di elevata attività catalitica e stabilità elevata. Questo materiale altamente reattivo potrebbe trovare una casa in luoghi diversi da celle a combustibile: per esempio, in sensori di temperatura elevata e nelle membrane utilizzate per separare l'ossigeno azoto e altri gas, dice.

Fonte: http://web.mit.edu/

Last Update: 3. October 2011 01:32

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