Το υδρογόνο είναι ένας βιώσιμος ενεργειακός φορέας. Το «πράσινο» υδρογόνο, δηλαδή το υδρογόνο που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποθήκη ενέργειας και ως καύσιμο. Για να γίνουν η παραγωγή και η χρήση του πιο αποτελεσματικές, ανθεκτικές και οικονομικές, απαιτούνται νέα υλικά. Οι μεμβράνες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε κυψέλες καυσίμου και ηλεκτρολύτες, είναι βασικός παράγοντας για το πόσο αποτελεσματικές είναι αυτές οι συσκευές. Τέτοιες μεμβράνες κατασκευάζονται συχνά από ειδικά κεραμικά.
Η ακριβής σχέση μεταξύ της συμπεριφοράς των ιόντων υδρογόνου - των πρωτονίων - στις κεραμικές μεμβράνες και της δομής του υλικού δεν έχει κατανοηθεί πλήρως. Σε ένα έργο που χρηματοδοτείται από το Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (SNF), οι ερευνητές της Empa υπό την καθοδήγηση του Artur Braun, επικεφαλής της ομάδας στο Εργαστήριο Υψηλής Απόδοσης Κεραμικών, θέλουν να εξετάσουν αυτό το ζήτημα σε συνεργασία με διεθνείς ερευνητικούς εταίρους.
Ο Braun και η ομάδα του ασχολούνται εδώ και 20 χρόνια με κεραμικούς αγωγούς πρωτονίων. Οι καλοί αγωγοί πρωτονίων πρέπει να πληρούν δύο προϋποθέσεις: πρέπει να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερα πρωτόνια και τα πρωτόνια πρέπει να κινούνται όσο το δυνατόν πιο ελεύθερα μέσα στο υλικό. Ωστόσο, αυτές οι δύο ιδιότητες βρίσκονται σε αντίθεση μεταξύ τους: βελτιστοποιώντας τη μία, συνήθως χειροτερεύει η άλλη.
Αντί για ανοικτό δρόμο, αντί για ελεύθερη διαδρομή
«Μπορούμε να φανταστούμε τη κεραμική μεμβράνη σαν ένα τοπίο διασχισμένο από δρόμους. Τα πρωτόνια κινούνται σε αυτούς τους δρόμους όπως τα αυτοκίνητα», συγκρίνει ο Braun. Όσο περισσότερα αυτοκίνητα βρίσκονται στους δρόμους, τόσο πιο πολύ σταματά η κυκλοφορία. «Μια αυτοκινητόδρομος πρωτονίων πολλαπλών λωρίδων, στον οποίο οι φορτίσεις ρέουν ανεμπόδιστα και προς τις δύο κατευθύνσεις, είναι μια φαντασίωση», εξηγεί. Ωστόσο, οι τρέχουσες μεμβράνες πρωτονίων μοιάζουν μάλλον με ένα δύσβατο έδαφος, όπου τα πρωτόνια περνούν δύσκολα από στενά μονοπάτια.
Αλλά, σε αντίθεση με τα τοπία που γνωρίζουμε, τα κρυσταλλικά πλέγματα των κεραμικών μεμβρανών είναι δυναμικά - δηλαδή, μεταβλητά. Σε προηγούμενη εργασία, η ομάδα του Braun μπόρεσε να δείξει ότι η αγωγιμότητα των πρωτονίων σε καλώς αγώγιμα κεραμικά δεν είναι πάντα σταθερή, αλλά άλλοτε είναι μειωμένη και άλλοτε φτάνει μέγιστες τιμές. «Είναι σαν τα βουνά και οι κοιλάδες να εξισώνονται ξαφνικά. Τα πρωτόνια, για μια σύντομη στιγμή, έχουν ελεύθερη διαδρομή», εξηγεί ο Braun. Η ομάδα της Empa επίσης απέδειξε ότι η μεταφορά πρωτονίων σε κεραμικούς αγωγούς συνδέεται στενά με τις δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος - και ότι τα ενσωματωμένα πρωτόνια στο πλέγμα μπορούν να αλλάξουν τις δονήσεις του.
Οι απαντήσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα
Για να κατανοήσουν καλύτερα αυτό το φαινόμενο, οι ερευνητές εξετάζουν στο τρέχον έργο τους όχι έναν καλό αγωγό πρωτονίων, αλλά έναν μάλλον κακό. Το οξείδιο λανθανίου-κερίου (LCO) μπορεί να απορροφήσει πολλά πρωτόνια, αλλά δεν τα καθοδηγεί περαιτέρω. «Αν ένας κακός αγωγός πρωτονίων συγκρίνεται με μποτιλιάρισμα, το LCO είναι μια πραγματική συμφόρηση», λέει ο Braun.
Ωστόσο, αυτό το φαινομενικό μειονέκτημα προσφέρει στους ερευνητές μια μοναδική ευκαιρία να μελετήσουν τις επιπτώσεις της δομής του υλικού στην αγωγιμότητα πρωτονίων. Εκτός από την υψηλής ανάλυσης κρυσταλλογραφική ανάλυση με νετρόνια στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI), η ομάδα χρησιμοποιεί νέες μεθόδους σε μεγάλες ερευνητικές εγκαταστάσεις στις ΗΠΑ και στην Ιαπωνία για να μετρήσει με ακρίβεια τις δονήσεις των κρυσταλλικών πλεγμάτων και να ελέγξει πειραματικά τα θεωρητικά μοντέλα. «Αν κατανοήσουμε τα επιστημονικά θεμέλια της αγωγιμότητας των πρωτονίων, μπορούμε ιδανικά να πούμε πώς οι μελλοντικές κεραμικές μπορεί να γίνουν καλύτεροι αγωγοί πρωτονίων, επιτρέποντας έτσι πιο αποτελεσματικές μεμβράνες για κυψέλες καυσίμου και ηλεκτρολύτες», εξηγεί ο φυσικός.
Επικοινωνία:
Dr. Artur Braun
Υψηλής Απόδοσης Κεραμικά
Τηλ. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch