Atomisk præcise modeller forbedrer forståelsen af ​​brændselsceller

Simuleringer fra forskere i Japan giver ny indsigt i de reaktioner, der forekommer i fastoxidbrændselsceller ved at bruge realistiske atomare modeller af det aktive sted ved elektroden baseret på mikroskopobservationer som udgangspunkt. Denne bedre forståelse kunne give fingerpeg om måder at forbedre ydeevne og holdbarhed på i fremtidige enheder.

Yderst lovende for ren og effektiv elproduktion, fastoxid-brændselsceller producerer elektricitet gennem den elektrokemiske reaktion mellem et brændstof og luft, og de er allerede begyndt at finde vej ind i boliger og kontorbygninger i hele Japan.

I en typisk brændselscelle, iltmolekyler på den ene side af brændselscellen modtager først elektroner og bryder op til oxidioner. Oxidionerne bevæger sig derefter gennem en elektrolyt til den anden side af enheden, hvor de reagerer med brændstoffet og frigiver deres ekstra elektroner. Disse elektroner strømmer gennem udvendige ledninger tilbage til startsiden, derved fuldende kredsløbet og strømforsyne det, der er forbundet til ledningerne.

Selvom denne overordnede reaktion er velkendt og relativt enkel, reaktionstrinnet, der begrænser processens samlede hastighed, forbliver kontroversielt, fordi elektrodernes komplicerede strukturer - som generelt er porøse materialer i modsætning til simple, flade overflader - hindre undersøgelse af fænomenerne på atomniveau.

Da detaljeret viden om de reaktioner, der forekommer i enhederne, er afgørende for yderligere at forbedre ydeevnen og holdbarheden af ​​brændselsceller, udfordringen har været at forstå, hvordan de mikroskopiske strukturer – ned til atomernes justering ved de forskellige grænseflader – påvirker reaktionerne.

"Computersimuleringer har spillet en stærk rolle i at forudsige og forstå reaktioner, som vi ikke let kan observere på atomær eller molekylær skala, " forklarer Michihisa Koyama, lederen af ​​gruppen, der ledede forskningen ved Kyushu Universitets INAMORI Frontier Research Center.

"Imidlertid, de fleste undersøgelser har antaget forenklede strukturer for at reducere beregningsomkostningerne, og disse systemer kan ikke reproducere de komplekse strukturer og adfærd, der forekommer i den virkelige verden."

Koyamas gruppe havde til formål at overvinde disse mangler ved at anvende simuleringer med raffinerede parametre til realistiske modeller af nøglegrænseflader baseret på mikroskopiske observationer af atomernes faktiske positioner på det aktive sted af elektroden.

Udnyttelse af styrken af ​​Kyushu University's Ultramicroscopy Research Center, forskerne observerede omhyggeligt atomstrukturen af ​​tynde skiver af brændselscellerne ved hjælp af elektronmikroskopi med atomopløsning. Baseret på disse observationer, forskerne rekonstruerede derefter computermodeller med de samme atomare strukturer for to repræsentative arrangementer, som de observerede.

Reaktioner mellem brint og oxygen i disse virtuelle brændselsceller blev derefter simuleret med en metode kaldet Reactive Force Field Molecular Dynamics, som bruger et sæt parametre til at tilnærme, hvordan atomer vil interagere - og endda kemisk reagere - med hinanden, uden at gå ind i den fulde kompleksitet af strenge kvantekemiske beregninger. I dette tilfælde, forskerne brugte et forbedret sæt af parametre udviklet i samarbejde med Yoshitaka Umenos gruppe ved University of Tokyo.

Ser man på resultatet af flere kørsler af simuleringerne på de forskellige modelsystemer, forskerne fandt, at de ønskede reaktioner var mere tilbøjelige til at forekomme i lag med en mindre porestørrelse.

Desuden, de identificerede en ny reaktionsvej, hvor oxygen migrerer gennem bulklagene på en måde, der potentielt kunne forringe ydeevne og holdbarhed. Dermed, strategier for at undgå denne potentielle reaktionsvej bør overvejes, mens forskere arbejder på at designe forbedrede brændselsceller.

"Det er den slags indsigt, vi kun kunne få ved at se på systemer i den virkelige verden, " kommenterer Koyama. "I fremtiden, Jeg forventer at se flere mennesker bruge virkelige atomstrukturer genskabt fra mikroskopobservationer som grundlag for simuleringer for at forstå fænomener, som vi ikke nemt kan måle og observere i laboratoriet."