Hexagonale perovskieten verbeteren protonische keramische brandstofcellen: doorbraak door Tokyo Tech-onderzoekers

AmsterdamOnderzoekers van Tokyo Tech hebben een belangrijke doorbraak behaald in brandstofceltechnologie. Zij hebben ontdekt dat hexagonale perovskiet-achtige oxiden, met name Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (waarbij R een zeldzaam aardmetaal is), potentieel effectieve materialen kunnen zijn voor proton-keramische brandstofcellen (PCFC's). Deze ontdekking is veelbelovend voor de ontwikkeling van betere brandstofcellen.

• Uitstekende protongeleiding
• Uitzonderlijke thermische stabiliteit
• Unieke kristalstructuur
• Volledige hydratatiecapaciteit
• Hoge protondiffusie

Brandstofcellen wekken elektriciteit op door waterstof en zuurstof te mengen, waarbij enkel water en warmte als afvalproducten worden gevormd. Ze bestaan uit drie hoofdonderdelen: een anode, een kathode en een elektrolyt. Bij de anode splitst waterstof in protonen (H⁺) en elektronen. De protonen bewegen door het elektrolyt naar de kathode, waar ze samen met zuurstof water vormen.

De meeste brandstofcellen, bekend als vaste-oxide brandstofcellen (SOFCs), maken gebruik van oxide-ion geleiders en vereisen hoge temperaturen om te functioneren, wat na verloop van tijd de materialen kan verslijten. Onderzoekers richten zich nu op protonische keramische brandstofcellen (PCFCs) omdat deze bij lagere temperaturen (200-500 °C) kunnen werken. Echter, het vinden van materialen met goede protongeleiding die stabiel blijven bij deze lagere temperaturen blijkt een uitdaging.

Onderzoeksteam vindt veelbelovende elektrolyten

Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology en de Tohoku University, onder leiding van Professor Masatomo Yashima, hebben ontdekt dat Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ oxiden uitstekende elektrolyten kunnen zijn. Deze oxiden vertonen een hoge protonengeleiding, bijna 0,01 S cm⁻¹ bij ongeveer 300 °C, wat hoger is dan bij vergelijkbare materialen. De zeldzame aardmetalen die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm en Yb.

Volgens Yashima is Ba₅Er₂Al₂SnO₁₃ (BEAS) een van de beste keramische protongeleiders. Dit nieuwe materiaal biedt veel mogelijkheden voor snelle protongeleiding.

Lees ook:

Vandaag · 04:05

Vikingen: meesters in de Arctische ivoorhandel

De hoge protonengeleidbaarheid is te danken aan de bijzondere kristalstructuur van het materiaal. Deze structuur bevat lagen van octaëders en zuurstofarme lagen genaamd A O₃-δ (h'). Wanneer er water aan wordt toegevoegd, worden de lege ruimtes in deze lagen opgevuld, waarbij hydroxylgroepen (OH⁻) ontstaan die protonen (H⁺) vrijgeven. Deze protonen bewegen vervolgens door de structuur, waardoor de geleidbaarheid toeneemt.

De onderzoekers produceerden BEAS via vastestofreacties. Het materiaal bevatte veel zuurstofvacatures (δ = 0,2) en kon volledig hydrateren, waarbij het water geheel opnam. Bij een temperatuur van 356 °C in een vochtige stikstofomgeving was de geleiding 2.100 keer hoger dan in een droge stikstofomgeving. Wanneer volledig gehydrateerd, was de geleiding 0,01 S cm⁻¹ bij 303 °C.

De octaëdrische lagen zorgen ervoor dat protonen zich gemakkelijk kunnen verplaatsen, wat de protongeleiding bevordert. Simulaties toonden aan dat protonen in deze lagen grote afstanden afleggen, wat wijst op hun snelle beweging. Yashima legt uit dat BEAS een hoge protongeleiding heeft omdat het een groot aantal protonen en een hoge diffusiesnelheid heeft.

Het materiaal blijft stabiel in chemicaliën bij de temperaturen die in PCFC-operaties worden gebruikt. Tests bij 600 °C met waterdamp, zuurstof, lucht, waterstof en CO₂ toonden geen veranderingen in de samenstelling en structuur. Dit betekent dat het robuust is en continu kan worden gebruikt zonder te degraderen.

Volgens Yashima biedt het gebruik van materialen met veel zuurstofplaatsen een effectieve manier om in de toekomst krachtige protonengeleiders te creëren.

Deze stof kan brandstofcellen efficiënter, duurzamer en functioneel bij lagere temperaturen maken.