Solid oxide fuel cells (SOFC) är en lovande teknik för att på ett rent sätt omvandla kemisk energi till elektrisk energi. Men deras effektivitet beror på den hastighet med vilken fasta ämnen och gaser interagerar vid enheternas elektrodytor. Således, att utforska sätt att förbättra SOFC -effektiviteten, ett internationellt team ledd av forskare från Berkeley Lab studerade ett modellelektrodmaterial på ett nytt sätt – genom att exponera en annan aspekt av dess kristallstruktur för syrgas vid driftstryck och temperaturer.

"Vi började med att ställa frågor som, kan olika reaktionshastigheter uppnås från samma material, bara genom att ändra vilken yta syret reagerar med?" sa Lane Martin, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Vi ville undersöka hur atomkonfigurationen vid specifika ytor av dessa material gör skillnad när det gäller att reagera med syrgasen."

Tunna filmer av ett vanligt SOFC-katodmaterial, lantanstrontiumkoboltferrit (LSCF), syntetiserades för att exponera en yta som var orienterad längs ett diagonalt kristallografiskt plan. Elektrokemiska mätningar på denna atypiska yta gav syrereaktionshastigheter upp till tre gånger snabbare än de som mättes på det vanliga horisontella planet.

För att bättre förstå mekanismerna bakom denna förbättring, forskarna använde Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för att sondera den "nya" ytan vid höga temperaturer och i varierande syretryck. Resultaten visade att olika kristallografiska plan stabiliserar olika ytkemi, även om kemin i huvuddelen av filmerna är oförändrad.

"Att exponera olika ytor för luft kan leda till helt olika strukturer, kemi, och defekta koncentrationer till en punkt där dessa ytor nästan ser ut och fungerar som olika material, sa Abel Fernandez, en doktorand i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley och medförfattare till studien. "Att ta hänsyn till våra resultat kan göra det möjligt för tillverkare ett relativt enkelt sätt att förbättra reaktiviteten hos LSCF-baserade katoder utan den grund som vanligtvis är nödvändig för att använda nya materialkemier."