MIT-professor Harry Tuller och postdoktor Han Gil Seo i labbet. De två och kollegor rapporterar ett enkelt sätt att avsevärt öka livslängden för bränsleceller och andra viktiga enheter. Kredit:Hendrik Wulfmeier
I forskning som kan sätta fart på arbetet med en rad tekniker inklusive bränsleceller, nyckeln till lagring av sol- och vindenergi, har MIT-forskare hittat ett relativt enkelt sätt att öka livslängden för dessa enheter:att ändra systemets "pH".
Bränsle- och elektrolysceller gjorda av material som kallas fasta metalloxider är intressanta av flera skäl. Till exempel, i elektrolysläget är de mycket effektiva när det gäller att omvandla el från en förnybar källa till ett lagringsbart bränsle som väte eller metan som kan användas i bränslecellsläget för att generera elektricitet när solen inte skiner eller vinden är ute. blåser inte. De kan också göras utan att använda kostsamma metaller som platina. Deras kommersiella lönsamhet har dock hämmats, delvis eftersom de försämras med tiden. Metallatomer som sipprar från sammankopplingarna som används för att konstruera banker av bränsle-/elektrolysceller förgiftar långsamt enheterna.
"Vad vi har kunnat visa är att vi inte bara kan vända den försämringen, utan faktiskt förbättra prestandan över det initiala värdet genom att kontrollera surheten i luftelektrodgränssnittet", säger Harry L. Tuller, R.P. Simmons professor vid Keramik och elektroniska material vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik (DMSE).
Forskningen, som ursprungligen finansierades av U.S. Department of Energy genom Office of Fossil Energy and Carbon Managements (FECM) National Energy Technology Laboratory, bör hjälpa avdelningen att nå sitt mål att avsevärt minska nedbrytningshastigheten för bränsleceller med fast oxid till 2035–2050 .
"Att förlänga livslängden för bränsleceller med fast oxid hjälper till att leverera den låga, högeffektiva väteproduktionen och kraftgenereringen som behövs för en framtid med ren energi", säger Robert Schrecengost, tillförordnad direktör för FECM:s division för väte med kolhantering. "Avdelningen applåderar dessa framsteg för att mogna och i slutändan kommersialisera dessa teknologier så att vi kan tillhandahålla ren och pålitlig energi till det amerikanska folket."
"Jag har arbetat inom det här området hela mitt yrkesliv, och det jag har sett fram till nu är mestadels stegvisa förbättringar", säger Tuller, som nyligen utsågs till 2022 Materials Research Society Fellow för sitt karriärlånga arbete inom solid- statskemi och elektrokemi. "Människor är normalt nöjda med att se förbättringar med faktorer på tiotals procent. Så att faktiskt se mycket större förbättringar och, inte minst, identifiera källan till problemet och medlen för att komma runt det, problem som vi har kämpat med för alla dessa decennier är anmärkningsvärt."
James M. LeBeau, en annan MIT-professor som är involverad i arbetet, säger att "det här arbetet är viktigt eftersom det skulle kunna övervinna [några] av de begränsningar som har förhindrat den utbredda användningen av bränsleceller med fast oxid. Dessutom kan det grundläggande konceptet tillämpas på många andra material som används för applikationer inom det energirelaterade området." LeBeau är John Chipman docent i materialvetenskap och teknik
Arbetet rapporterades den 11 augusti online i Energy &Environmental Science . Ytterligare författare till uppsatsen är Han Gil Seo, en DMSE-postdoktor; Anna Staerz, tidigare DMSE-postdoktor, nu vid Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) Belgien och kommer snart att ansluta sig till Colorado School of Mines-fakulteten; Dennis S. Kim, en DMSE-postdoktor; Dino Klotz, en DMSE-besöksforskare, nu vid Zurich Instruments; Michael Xu, en DMSE doktorand, och Clement Nicollet tidigare en DMSE postdoktor, nu vid Université de Nantes. Seo och Staerz bidrog lika mycket till arbetet.
Vad de gjorde
En bränsle-/elektrolyscell har tre huvuddelar:två elektroder (en katod och anod) åtskilda av en elektrolyt. I elektrolysläget kan elektricitet från exempelvis vinden användas för att generera lagringsbart bränsle som metan eller väte. Å andra sidan, i den omvända bränslecellsreaktionen, kan det lagringsbara bränslet användas för att skapa elektricitet när vinden inte blåser.
En fungerande bränsle-/elektrolyscell består av många individuella celler som är staplade tillsammans och sammankopplade med stålmetallkopplingar som inkluderar elementet krom för att förhindra att metallen oxiderar. Men "det visar sig att vid de höga temperaturerna som dessa celler kör, avdunstar en del av krom och migrerar till gränssnittet mellan katoden och elektrolyten, vilket förgiftar syreinkorporeringsreaktionen", säger Tuller. Efter en viss punkt har cellens effektivitet sjunkit till en punkt där det inte är värt att arbeta längre.
"Så om du kan förlänga livslängden för bränsle-/elektrolyscellen genom att sakta ner den här processen, eller helst vända den, kan du gå långt för att göra det praktiskt", säger Tuller.
Teamet visade att du kan göra både och genom att kontrollera surheten på katodytan. De förklarade också vad som händer.
Ändra surheten
För att uppnå sina resultat belade teamet bränsle-/elektrolyscellens katod med litiumoxid, en förening som ändrar ytans relativa surhet från att vara sur till att vara mer basisk. "Efter att ha tillsatt en liten mängd litium kunde vi återställa den initiala prestandan hos en förgiftad cell", säger Tuller. När ingenjörerna tillsatte ännu mer litium förbättrades prestandan långt utöver det ursprungliga värdet. "Vi såg förbättringar av tre till fyra storleksordningar i den viktigaste reaktionshastigheten för syrereduktion och tillskriver förändringen att ytan på elektroden fylls med elektroner som behövs för att driva reaktionen för syreinkorporering."
Ingenjörerna fortsatte med att förklara vad som händer genom att bokstavligen observera materialet i nanoskala, eller miljarddelar av en meter, med toppmodern transmissionselektronmikroskopi och elektronenergiförlustspektroskopi. "Vi var intresserade av att förstå fördelningen av de olika kemiska tillsatserna [krom och litiumoxid] på ytan", säger LeBeau.
De fann att litiumoxiden effektivt löser krom för att bilda ett glasartat material som inte längre tjänar till att försämra katodprestandan.
Vad händer härnäst?
Många tekniker som bränsleceller är baserade på förmågan hos de fasta oxiderna att snabbt andas syre in och ut ur deras kristallina strukturer, säger Tuller. MIT-arbetet visar i huvudsak hur man kan återhämta - och påskynda - den förmågan genom att ändra ytans surhet. Som ett resultat av detta är ingenjörerna optimistiska att arbetet skulle kunna tillämpas på andra teknologier, inklusive till exempel sensorer, katalysatorer och syregenomträngningsbaserade reaktorer.
Teamet undersöker också effekten av surhet på system som förgiftats av olika element, som kiseldioxid.
Tuller avslutar:"Som ofta är fallet inom vetenskapen snubblar man över något och märker en viktig trend som inte uppskattades tidigare. Sedan testar man det konceptet ytterligare och upptäcker att det verkligen är väldigt fundamentalt." + Utforska vidare
