Nøglen til forbedret grøn teknologieffektivitet fundet i simpel syrebehandling

Udviklingen af ​​nye, mere effektive elektrokemiske celler kunne være en god mulighed for kulstoffri brint- og kemisk produktion sammen med elproduktion og -lagring i stor skala.

Men først skal forskerne overvinde adskillige udfordringer, herunder hvordan man gør cellerne mere effektive og omkostningseffektive.

For nylig brugte et forskerhold ledet af Idaho National Laboratory en simpel proces til at binde materialer tættere i protoniske keramiske elektrokemiske celler, også kendt som PCEC'er, og løste et mysterium, der havde begrænset teknologiens ydeevne. Resultaterne blev offentliggjort i det seneste nummer af Nature . Dette er den første INL-ledede forskningsartikel offentliggjort i det tidsskrift i næsten 30 år.

Holdet omfattede forskere fra Massachusetts Institute of Technology, New Mexico State University og University of Nebraska-Lincoln.

Ligesom genopladelige batterier bruger kemi til at lagre elektricitet til senere brug, kan PCEC'er omdanne overskydende elektricitet og vand til brint. PCEC'er kan også fungere omvendt og omdanne brint til elektricitet. Teknologien bruger krystallinske materialer kaldet perovskiter, som er billige og i stand til at fungere ved en lang række temperaturer.

Forskere i USA udvikler de elektrokemiske celler primært til brintgenerering, men også flere andre anvendelser. Brinten produceret af disse celler kan også bruges som brændstof til varme, køretøjer, kemisk produktion eller andre applikationer.

I teorien skulle PCEC'er fungere mere effektivt ved et bredere temperaturområde end lignende typer elektrokemiske celler. Men indtil nu har forskere ikke kunne opnå teknologiens teoretiske potentiale.

"PCEC'er bør fungere godt på grund af deres høje ledningsevne og lille aktiveringsenergi forbundet," sagde Dong Ding, en fremtrædende stabsingeniør/videnskabsmand ved INL. "Alligevel fandt vi ud af, at deres nuværende præstation er lavere, end vi forventede, og vores team hos INL har været dedikeret til at forstå hvorfor siden 2017."

Holdet satte sig for at løse mysteriet ved at måle, hvor godt protoner (positivt ladede brintatomer) strømmede hen over elektrode/elektrolyt-grænsefladen. Ganske vist var grænsefladen problemet. Specifikt havde Wei Wu, en materialeingeniørforsker ved INL, mistanke om, at elektroden og elektrolytten ikke var bundet tæt nok.

Ding og hans kolleger brugte en simpel syrebehandling til at binde elektroden til elektrolytten, hvilket muliggjorde en mere effektiv overførsel af energi. "Den enkle syrebehandling kan forynge overfladen af ​​PCEC, for at hjælpe den med at opnå maksimal ydeevne," sagde Wenjuan Bian, en postdoc og primær bidragyder til dette projekt. "Denne tilgang kan let skaleres op og integreres til produktion af store celler og stakke"

Ved nærmere undersøgelse fandt forskerne ud af, at syrebehandlingen øgede kontaktområdet mellem elektroden og elektrolytten – ru op på overfladen på nogenlunde samme måde, som en keramiker ville skrue op i det fugtige ler i en kop, før han satte håndtaget på.

Det øgede overfladeareal forårsagede en tættere binding mellem elektrode og elektrolyt, der muliggjorde en mere effektiv strøm af brintatomer. Derudover forbedredes cellestabiliteten betydeligt, især under visse ekstreme forhold.

Denne proces kunne åbne dørene for adskillige "ren og grøn brint"-applikationer, sagde Wu.

"Den højtydende PCEC giver os mulighed for at presse driftstemperaturen ned til 350 C," sagde Ding. "Reduceret driftstemperatur muliggør billigere materialer til den store montage, inklusive stablen. Endnu vigtigere er det, at teknologien fungerer inden for samme temperaturområde som flere vigtige, aktuelle industrielle processer, herunder ammoniakproduktion og CO₂ reduktion. At matche disse temperaturer vil fremskynde teknologiens indførelse i den eksisterende industri. Faktisk accelererer vi opskaleringen af ​​disse celler hos INL ved at integrere denne teknologi i vores fremstillingsprocesser." + Udforsk yderligere

Fremskridende højtemperaturelektrolyse:Spaltning af vand for at lagre energi som brint