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Elevado grau de pureza Filmes Finos de Materiais pode aumentar a eficiência da célula combustível

Published on June 25, 2010 at 2:34 AM

Um laboratório do MIT surpreendente descoberta sobre o comportamento de uma folha fina de material - menos de um milésimo da espessura de um cabelo humano - podem levar a formas melhores de se estudar o comportamento dos eletrodos e, talvez, em última análise, a melhorias na taxa de produção de energia a partir de um tipo de célula de combustível, de acordo com um relatório publicado esta semana.

Em muitos casos, as camadas finas de um material - que pode ser apenas algumas moléculas de espessura - exibem propriedades diferentes a partir de blocos sólidos do mesmo material. Mas mesmo que este é um fenômeno conhecido, a natureza da diferença da equipe do MIT descobriu no comportamento de filmes finos de um mineral chamado perovskita - neste caso, a ser depositado como uma camada fina na superfície de um cristal de zircônia - "foi muito inesperado ", diz Yang Shao-Horn, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais e engenharia no MIT, que liderou a pesquisa. O trabalho foi feito em colaboração com Hans Christen e Biegalski Michael no Oak Ridge National Laboratory.

Um material chamado de estrôncio-substituído lantânio cobalto perovskita, ou LSC, cuja estrutura cristalina é mostrada aqui.

Em células a combustível, um combustível como hidrogênio ou metanol reage na presença de um catalisador, liberando sua energia química em vez de ser queimado. Como resultado, eles podem produzir eletricidade a partir de combustível sem liberar gases de efeito estufa e outros poluentes, e por isso são consideradas uma abordagem alternativa promissora para geração de eletricidade. E ao contrário das baterias, que precisam ser recarregadas em um processo demorado, uma célula de combustível pode ser abastecido rapidamente.

A principal barreira para uma maior eficiência em células a combustível, que são considerados uma forma promissora de fornecimento de electricidade para o transporte de futuro ou de sistemas de energia estacionária, é o ritmo lento de produção de oxigênio a partir do catodo, um dos dois terminais elétricos no dispositivo. Em células a combustível presente, a taxa de produção de oxigênio é o fator limitante na produção de energia do aparelho. Muitas equipes estão buscando formas de melhorar a eficiência e reduzindo os custos dos dois tipos principais de células de combustível: as células de óxido sólido de combustível (PaCOS) e próton-troca da membrana das células de combustível (PEMFC). Este trabalho aborda potenciais melhorias no catodo em PaCOS, que poderia encontrar aplicação em sistemas de larga escala, como usinas de energia elétrica. A nova pesquisa sugere que esta atividade pode ser aumentada em até cem vezes usando filmes finos de compostos perovskitas certo.

Pesquisas anteriores haviam descoberto o contrário, que filmes finos de alguns materiais perovskitas foram cem vezes menos reativo que o material a granel, Shao-Horn diz. Os novos resultados são publicados online na revista alemã Angewandte Chemie; principais autores são ex-aluno Gerardo la O 'e investigador postdoctoral Ahn Sung-Jin. O trabalho foi suportado pela NSF, o Departamento de Energia dos EUA, Oak Ridge National Laboratory eo rei Abdullah University of Science and Technology.

Criando o tipo de alta pureza filmes finos de material utilizado neste estudo - neste caso, tão fino quanto 20 nanômetros, ou bilionésimos de metro - é possível estudar os detalhes de como a superfície do material reage em grande maior detalhe do que foi possível na pesquisa com materiais a granel. Esta pesquisa mostra que única película fina características podem aumentar a atividade catalítica.

"A nosso conhecimento, esta é a primeira vez que estes filmes finos têm sido mostrados para exibir" o aumento da atividade, Shao-Horn diz. A equipe continua a investigação para verificar suas hipóteses sobre as razões para o aumento da atividade, e para explorar uma família de materiais que podem apresentar propriedades semelhantes. "Estamos trabalhando para determinar por que" o nível de atividade é tão alta, Shao-Horn diz, sugerindo que a reatividade aumentada do material pode resultar de um alongamento da superfície. Isso pode alterar o conteúdo das vacâncias de oxigênio ou a estrutura eletrônica do material, as possibilidades que estão sendo examinados no grupo Shao-Horn.

Enquanto as células de combustível muitos usam eletrodos feitos de metais preciosos, como platina, os eletrodos neste experimento são feitos de materiais relativamente abundante, como cobalto, lantânio e estrôncio, Shao-Horn diz, então eles devem ser relativamente barato de produzir. Além disso, este material funciona em temperaturas muito mais baixas do que eletrodos existentes SOFC, que poderia ser uma vantagem, porque "a temperaturas mais baixas, a degradação do material pode ser muito reduzido", diz ela. Enquanto que as células atuais funcionam a temperaturas de 800 graus Celsius ou mais, a nova abordagem pode levar a materiais que poderiam trabalhar menos 500 graus Celsius, como foi o caso nestes testes.

Este trabalho é apenas o primeiro passo, no entanto. Shao-Horn salienta que este é o começo de uma nova área de investigação fundamental, e poderia conduzir a exploração de toda uma família de compostos possíveis em busca de um com uma óptima combinação de alta atividade catalítica e alta estabilidade. Este material altamente reativa poderia encontrar uma casa em outros lugares do que as células de combustível: por exemplo, em alta temperatura e sensores nas membranas usadas para separar o oxigênio do nitrogênio e outros gases, diz ela.

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

Last Update: 3. October 2011 01:32

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