Materiale pentru procesarea hidrogenului sub lupă

Hidrogenul este un vector de energie durabil. Hidrogenul „verde”, adică produs cu energie regenerabilă, poate fi utilizat ca depozit de energie și combustibil. Pentru a-i face producția și utilizarea mai eficiente, mai durabile și mai rentabile, sunt necesare materiale noi. Membranele utilizate în pilele de combustie și electrolizoarele joacă un rol decisiv în funcționarea eficientă a acestor dispozitive. Aceste membrane sunt adesea fabricate din ceramică specială.

Relația dintre comportamentul ionilor de hidrogen – protonii – în membrane ceramice și structura materialului nu este încă pe deplin înțeleasă. Într-un proiect finanțat de Fondul Național Elvețian (SNF), cercetătorii de la Empa, conduși de Artur Braun, șef de grup în laboratorul de ceramică de înaltă performanță, împreună cu parteneri de cercetare internaționali, doresc să investigheze această problemă.

Braun și echipa sa se ocupă de conducători protonici ceramici de 20 de ani. Un bun conductor de protoni trebuie să îndeplinească două cerințe: să poată absorbi cât mai mulți protoni și să permită mișcarea liberă a acestora în material. Aceste două proprietăți se află însă într-o contradicție: îmbunătățirea uneia duce deseori la deteriorarea celeilalte.

Teren accidentat în loc de drum liber

„Membrana ceramică poate fi imaginată ca un peisaj traversat de drumuri. Protonii se deplasează pe aceste drumuri ca automobilele”, compară Braun. Cu cât sunt mai multe mașini pe drumuri, cu atât traficul este mai lent. „O autostradă cu mai multe benzi pentru protoni, unde sarcinile curg liber în ambele direcții, este un ideal”, explică el. Totuși, membranele protonice actuale seamănă mai mult cu un teren accidentat, pe care protonii îl parcurg cu dificultate pe căi înguste.

Spre deosebire de peisajele familiare nouă, rețelele cristaline ale membranelor ceramice sunt dinamice. Într-un studiu anterior, echipa lui Braun a arătat că conductivitatea protonică în ceramicele bine conductoare nu este întotdeauna constantă, ci uneori este redusă, alteori atinge valori maxime. „Este ca și cum munții și văile s-ar nivela brusc. Protonii primesc pentru un moment scurt o traversare liberă”, explică Braun. De asemenea, echipa de la Empa a demonstrat că transportul de protoni în conductoarele ceramice este strâns legat de vibrațiile rețelei cristaline – iar protonii încorporați în rețea pot modifica ei înșiși aceste vibrații.

Răspunsurile în rețeaua cristalină

Pentru a înțelege mai bine acest efect, cercetătorii se concentrează în proiectul lor actual nu pe un bun conductor de protoni, ci pe unul mai puțin performant. Oxidul de cer-lantan (LCO) poate absorbi mulți protoni, dar nu îi conduce mai departe. „Dacă un conductor prost de protoni poate fi comparat cu un blocaj, în cazul LCO vorbim de un adevărat infarct de trafic”, spune Braun.

Acest aparent dezavantaj oferă cercetătorilor o oportunitate unică de a investiga efectele structurii materiale asupra conductivității protonice. În afară de elucidarea structurală cristalografică de înaltă rezoluție cu neutroni la Institutul Paul Scherrer (PSI), echipa utilizează noi metode la instalații de cercetare din SUA și Japonia pentru a măsura precis vibrațiile rețelelor cristaline și pentru a verifica experimental modelele teoretice. „Dacă înțelegem fundamentele științifice ale conductivității protonice, putem, ideal, să prevedem cum ar trebui să fie viitoarele ceramice pentru a deveni conductori de protoni mai buni și, astfel, să permite membrane mai eficiente pentru pilele de combustie și electrolizoare”, explică fizicianul.

Contact:
Dr. Artur Braun
Ceramică de înaltă performanță
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch

Notă editorială: Drepturile asupra imaginilor aparțin editorului respectiv.