Utvecklingen av nya, mer effektiva elektrokemiska celler skulle kunna utgöra ett bra alternativ för kolfri väte- och kemikalieproduktion tillsammans med storskalig elproduktion och lagring.

Men först måste forskarna övervinna flera utmaningar, inklusive hur man gör cellerna mer effektiva och kostnadseffektiva.

Nyligen använde ett forskarlag under ledning av Idaho National Laboratory en enkel process för att binda material tätare i protoniska keramiska elektrokemiska celler, även kända som PCEC, och löste ett mysterium som hade begränsat teknikens prestanda. Resultaten publicerades i det senaste numret av Nature . Detta är det första INL-ledda forskningsdokumentet som publicerats i den tidskriften på nästan 30 år.

Teamet inkluderade forskare från Massachusetts Institute of Technology, New Mexico State University och University of Nebraska-Lincoln.

Precis som laddningsbara batterier använder kemi för att lagra elektricitet för senare användning, kan PCEC omvandla överskott av el och vatten till väte. PCEC kan också fungera i omvänd riktning och omvandla väte till elektricitet. Tekniken använder kristallina material som kallas perovskiter, som är billiga och kan fungera vid ett brett temperaturområde.

Forskare i USA utvecklar de elektrokemiska cellerna främst för vätegenerering, men även flera andra tillämpningar. Vätgas som produceras av dessa celler kan också användas som bränsle för värme, fordon, kemisk produktion eller andra tillämpningar.

I teorin bör PCEC:er fungera mer effektivt vid ett bredare temperaturintervall än liknande typer av elektrokemiska celler. Men hittills har forskare inte kunnat uppnå teknikens teoretiska potential.

"PCECs bör prestera bra på grund av deras höga ledningsförmåga och låga aktiveringsenergi associerad", säger Dong Ding, en framstående personalingenjör/forskare vid INL. "Ändå fann vi att deras nuvarande prestanda är lägre än vad vi förväntade oss, och vårt team på INL har ägnat sig åt att förstå varför sedan 2017."

Teamet satte sig för att lösa mysteriet genom att mäta hur väl protoner (positivt laddade väteatomer) flödade över elektrod/elektrolytgränssnittet. Visst var det gränssnittet som var problemet. Närmare bestämt misstänkte Wei Wu, en materialteknikforskare vid INL, att elektroden och elektrolyten inte var tillräckligt hårt bundna.

Ding och hans kollegor använde en enkel syrabehandling för att binda elektroden till elektrolyten, vilket möjliggör en mer effektiv överföring av energi. "Den enkla syrabehandlingen kan föryngra ytan på PCEC, för att hjälpa den att uppnå maximal prestanda", säger Wenjuan Bian, en postdoktor och primär bidragsgivare till detta projekt. "Detta tillvägagångssätt kan lätt skalas upp och integreras för tillverkning av stora celler och stack"

Efter noggrann undersökning fann forskarna att syrabehandlingen ökade kontaktytan mellan elektroden och elektrolyten – grov upp ytan på ungefär samma sätt som en krukmakare skulle grova upp den fuktiga leran i en kopp innan han fäste handtaget.

Den ökade ytan orsakade en tätare bindning mellan elektrod och elektrolyt som möjliggjorde ett mer effektivt flöde av väteatomer. Dessutom förbättrades cellstabiliteten avsevärt, särskilt under vissa extrema förhållanden.

Denna process kan öppna dörrarna för många "rent och grönt väte"-applikationer, sa Wu.

"Den högpresterande PCEC tillåter oss att sänka driftstemperaturen till 350 C," sa Ding. "Reducerad driftstemperatur möjliggör billigare material för den storskaliga monteringen, inklusive stapeln. Ännu viktigare är att tekniken fungerar inom samma temperaturområde som flera viktiga, nuvarande industriella processer, inklusive ammoniakproduktion och CO₂ minskning. Att matcha dessa temperaturer kommer att påskynda teknikens antagande inom den befintliga industrin. Faktum är att vi påskyndar uppskalningen av dessa celler på INL genom att integrera denna teknik i våra tillverkningsprocesser." + Utforska vidare

Framskridande högtemperaturelektrolys:Splittring av vatten för att lagra energi som väte