Ett lovande alternativ till konventionella kraftverk, bränsleceller med fast oxid använder elektrokemiska metoder som kan generera kraft mer effektivt än befintliga förbränningsbaserade generatorer. Men bränsleceller tenderar att brytas ned för snabbt, äter upp eventuella effektivitetsvinster genom ökade kostnader.

Nu, i ett framsteg som kan hjälpa till att leda vägen mot gröna energienheter med längre livslängd, ingenjörer vid University of Wisconsin–Madison har avslöjat nya insikter om de kemiska reaktioner som driver bränsleceller.

"Bränsleceller är spännande tekniker med potentiellt störande egenskaper, " säger Dane Morgan, en professor i materialvetenskap och teknik vid UW–Madison som ledde forskningen. "Men försämringsfrågor har varit ett stort hinder för konsumentmarknaden."

Han och hans medarbetare beskrev nyligen sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

En anledning till att bränsleceller försämras är att enheterna måste fungera vid extremt höga temperaturer – över 1, 500 grader Fahrenheit - för att driva de kemiska reaktionerna som skapar elektricitet.

Bränsleceller kombinerar syre med en extern bränslekälla, en process som liknar den värme- och ljusavgivande omvandling som sker vid eld. Ändå utför bränsleceller dessa kemiska reaktioner utan att brinna. Det är därför bränsleceller kan generera energi med betydligt mer effektivitet än förbränning.

Istället, bränsleceller fungerar ungefär som batterier, bestående av två elektroder åtskilda av en elektrolyt, som är ett material som transporterar joner. En av elektroderna delar syrgas från luften till enskilda atomer, som sedan kan transporteras och kombineras med bränsle. Viktigt, Att dela syre frigör elektroner som kan röra sig genom en krets som ström för att driva hem eller enheter. Denna syreuppdelning sker vid en komponent som kallas katoden.

Men syrgas är ganska stabil och därför ovillig att splittras. Och ansträngningarna att driva reaktionerna effektivt vid lägre temperaturer med kompatibla material har varit utmanande, delvis för att forskare verkligen inte känner till detaljerna i atomskala för de kemiska reaktioner som äger rum vid katoden.

"Tidigare, forskare förstod verkligen inte vad de hastighetsbegränsande stegen är för hur syre kommer på en yta, delar och går in i ett material, " säger Yipeng Cao, huvudstudenten på studien.

För att syre ska komma in i katoden, gasmolekylen måste delas i två atomer. Då måste varje atom möta en struktur som kallas en vakans, vilket är ett litet molekylärt gap vid ytan av materialet som låter syre komma in. Att förstå denna process är svårt eftersom det sker i katodens översta atomskikt, vars kemi kan vara helt annorlunda än huvuddelen av materialet.

"Att mäta sammansättning och vakans kemi i de två översta lagren är extremt utmanande, säger Morgan.

Det var därför han och kollegor vände sig till datorsimuleringar. Som ledande experter inom molekylär modellering, de kombinerade densitetsfunktionella teorin och kinetisk modellering för att få insikt på atomnivå i reaktionerna som inträffar på katodens två översta skikt.

Teamet fastställde att delning inte är det hastighetsbegränsande steget i det studerade materialet. De lärde sig att det som begränsar bränslecellseffektiviteten är det sätt på vilket syreatomer hittar och kommer in i lediga platser på ytan.

Material med fler lediga platser, därför, skulle potentiellt kunna göra bränsleceller mycket effektivare.

"Detta kunde möjliggöra materialdesign på ett sätt som var väldigt svårt att göra tidigare, säger Morgan.

Forskarna fokuserade på ett särskilt material, en modellförening för många vanliga bränslecellskatoder som kallas lantanstrontiumkoboltat. De planerar att utöka analysen till att omfatta annat material snart.

Fynden kan ha inverkan bortom bränsleceller, för. Materials that exchange oxygen with the environment have numerous applications, including in water splitting, CO ₂ minskning, gas separation, and electronic components called memristors.

"I think we have a much better handle on how to control the oxygen exchange process, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."