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

High-Purity dunne films van materiaal kan verhogen Fuel Cell Efficiency

Published on June 25, 2010 at 2:34 AM

Een verrassende MIT laboratorium te vinden over het gedrag van een dunne plaat van het materiaal - minder dan een duizendste van de dikte van een menselijke haar - kan leiden tot betere manieren van het bestuderen van het gedrag van de elektroden en misschien uiteindelijk tot verbeteringen in de snelheid van de stroomproductie uit een type brandstofcel, volgens een deze week verschenen rapport.

In veel gevallen, dunne lagen van een materiaal - en dat kan slechts een paar moleculen dik - vertonen eigenschappen anders dan vaste blokken van hetzelfde materiaal. Maar ook al is dit een bekend fenomeen, de aard van het verschil het MIT-team te vinden in het gedrag van dunne films van een mineraal genaamd perovskiet - in dit geval, afgezet als een dunne laag op het oppervlak van een kristal van zirconia - "was heel erg onverwacht ", zegt Yang Shao-Horn, universitair hoofddocent van de machinebouw en Materials Science and Engineering aan het MIT, die het onderzoek leidde. Het werk werd gedaan in samenwerking met Hans Christen en Michael Biegalski in het Oak Ridge National Laboratory.

Een materiaal genaamd strontium-gesubstitueerde lanthaan kobalt perovskiet, of LSC, waarvan kristalstructuur is hier te zien.

In brandstofcellen, een brandstof zoals waterstof of methanol reageert in de aanwezigheid van een katalysator, het vrijgeven van zijn energie chemisch in plaats van verbrand. Als gevolg daarvan kunnen ze elektriciteit produceren van brandstof zonder de uitstoot van broeikasgassen of andere verontreinigende stoffen, en dus worden beschouwd als een veelbelovende alternatieve aanpak voor de opwekking van elektriciteit. En in tegenstelling tot accu's, die moeten worden opgeladen in een tijdrovend proces, kan een brandstofcel snel worden bijgetankt.

De belangrijkste barrière voor het bereiken van een grotere efficiëntie in brandstofcellen, die worden beschouwd als een veelbelovende manier de levering van elektriciteit voor toekomstige transport of stationaire Power Systems, is de langzame tempo van zuurstof de productie van de kathode, een van de twee elektrische aansluitingen in het apparaat. In de huidige brandstofcellen, de snelheid van de productie van zuurstof is de beperkende factor in het vermogen van het apparaat. Veel teams zijn het nastreven van mogelijkheden tot verbetering van de efficiëntie en het verminderen van de kosten van de twee belangrijkste soorten brandstof cellen: vaste-oxide brandstofcel (SOFCs) en de proton-exchange membraan brandstofcellen (PEMFCs). Dit werk richt mogelijke verbeteringen in de kathode in SOFCs, die de toepassing in grootschalige systemen, zoals elektrische centrales kon vinden. Het nieuwe onderzoek suggereert dat deze activiteit kan worden verhoogd tot het honderdvoudige door gebruik te maken dunne films van bepaalde perovskiet verbindingen.

Eerder onderzoek had het tegenovergestelde gevonden, dat de dunne films van sommige perovskiet materialen werden een honderd keer minder reactief dan de bulk materiaal, Shao-Horn zegt. De nieuwe resultaten zijn online gepubliceerd in het Duitse tijdschrift Angewandte Chemie, de leidende auteurs zijn voormalige student Gerardo la O 'en postdoctoraal onderzoeker Sung-Jin Ahn. Het werk werd ondersteund door de NSF, het Amerikaanse ministerie van Energie, Oak Ridge National Laboratory en de Koning Abdullah Universiteit voor Wetenschap en Technologie.

Door het creëren van het soort van zeer zuiver dunne films van materiaal dat gebruikt wordt in deze studie - in dit geval, zo dun als 20 nanometer, of miljardste van een meter - is het mogelijk om de details van hoe het oppervlak van het materiaal reageert studie in veel meer detail dan mogelijk was in het onderzoek met bulk materiaal. Dit onderzoek toont aan dat unieke dunne-film-eigenschappen kunnen verbeteren katalytische activiteit.

"Voor zover ons bekend, is dit de eerste keer dat deze dunne films is aangetoond tentoonstelling" de verhoogde activiteit, Shao-Horn zegt. Het team is verder onderzoek om hun hypothese te verifiëren over de redenen voor de verhoogde activiteit, en een gezin van materialen die kunnen vertonen vergelijkbare eigenschappen te verkennen. "We zijn bezig met het bepalen van waarom" de activiteit niveau is zo hoog, Shao-Horn zegt, wat suggereert dat de verhoogde reactiviteit van het materiaal kan het gevolg zijn van een uitrekken van het oppervlak. Dit kan veranderen de inhoud van zuurstof vacatures of de elektronische structuur van het materiaal, de mogelijkheden die worden onderzocht in groep Shao-Horn.

Hoewel veel brandstofcellen te gebruiken elektroden gemaakt van edele metalen zoals platina, de elektroden in dit experiment zijn gemaakt van relatief overvloedige materialen zoals kobalt, lanthaan en strontium, Shao-Horn zegt, dus moeten ze relatief goedkoop te produceren. Daarnaast is dit materiaal werkt bij veel lagere temperaturen dan de bestaande SOFC elektroden, wat kan een voordeel zijn, omdat "bij lagere temperaturen, materiaal degradatie kan veel worden verminderd," zegt ze. Overwegende dat de huidige cellen werken bij temperaturen van 800 graden Celsius of hoger, kan de nieuwe aanpak leiden tot materialen die kunnen werken op 500 graden Celsius, zoals het geval was bij deze proeven.

Dit werk is slechts de eerste stap, echter. Shao-Horn benadrukt dat dit het begin van een nieuw fundamenteel onderzoek gebied, en kan leiden tot verkenning van een hele familie van mogelijke verbindingen op zoek naar een met een optimale combinatie van een hoge katalytische activiteit en een hoge stabiliteit. Deze zeer reactief materiaal kon een huis te vinden in andere plaatsen dan brandstofcellen: bijvoorbeeld in hoge-temperatuur sensoren en in membranen gebruikt om zuurstof te scheiden van stikstof en andere gassen, zegt ze.

Bron: http://web.mit.edu/

Last Update: 4. October 2011 12:20

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