Para que uma célula de combustível funcione, ele precisa de um agente oxidante. TU Wien agora encontrou uma maneira de explicar por que o oxigênio nem sempre entra nas células de combustível de forma eficaz, tornando-os inutilizáveis.

As células de combustível usam uma reação química simples, como a combinação de oxigênio e hidrogênio para formar água, para gerar eletricidade. A questão de qual é o melhor material a ser usado na fabricação de células a combustível de cerâmica não é simples, Contudo. São necessários novos materiais que atuem como um catalisador para a reação química necessária com a máxima eficiência, mas que também duram o máximo possível sem que suas propriedades mudem.

Esforços anteriores para desenvolver materiais que atendam a esses requisitos foram amplamente baseados em tentativa e erro. Contudo, As equipes da TU Wien agora conseguiram encontrar uma maneira de fazer alterações direcionadas à superfície das células de combustível em escala atômica e fazer medições ao mesmo tempo. Como resultado, agora é possível explicar fenômenos importantes pela primeira vez, incluindo as razões pelas quais os átomos de estrôncio são problemáticos e o fato de que o cobalto pode ser útil em uma célula de combustível.

O gargalo do suprimento de oxigênio

No cátodo, o terminal positivo da célula de combustível, o oxigênio é incorporado ao material da célula de combustível do ar. Os íons de oxigênio eletricamente carregados, então, têm que viajar através do material e reagir com o combustível, por exemplo, hidrogênio, no lado carregado negativamente, o ânodo.

“O gargalo em todo esse processo é a incorporação de oxigênio no cátodo, "explica Ghislain Rupp, do grupo de pesquisa liderado pelo Professor Jürgen Fleig no Instituto de Tecnologias Químicas e Analíticas da TU Wien. A equipe liderada pelo professor Andreas Limbeck e sediada no mesmo instituto também esteve envolvida neste projeto de pesquisa.

As células de combustível precisam ser operadas em temperaturas extremamente altas, em algum lugar entre 700 e 1000 graus Celsius, a fim de garantir que o oxigênio seja incorporado com rapidez suficiente. Os pesquisadores há muito tempo tentam identificar melhores materiais catódicos que permitirão que a temperatura de operação seja reduzida. "Existem algumas opções bem conhecidas que são de particular interesse, incluindo lantânio estrôncio cobaltita, ou LSC para abreviar, "explica Ghislain Rupp. O grande problema nesse caso é que esses materiais não se mantêm estáveis ​​no longo prazo. Sempre há um ponto em que a atividade cai e o desempenho da célula a combustível diminui. Até agora, só foi possível adivinhar a razão exata para isso.

Alterações de superfície direcionadas

Uma coisa sempre foi clara:a superfície do cátodo, onde o oxigênio deve se estabelecer antes de entrar na célula de combustível, tem um papel crucial a desempenhar. Com isso em mente, as equipes da TU Wien desenvolveram um método de fazer alterações direcionadas à superfície que também permite que as medições sejam feitas ao mesmo tempo, a fim de determinar os efeitos disso nas propriedades elétricas da célula a combustível.

"Usamos um pulso de laser para vaporizar vários materiais, que então se acumulam em pequenos volumes na superfície, "explica Rupp." Isso nos permite modificar a composição da superfície do cátodo em pequenas, doses precisas, enquanto também monitora como isso afeta a resistência do sistema. "

O efeito prejudicial do estrôncio excessivo

Desta maneira, fomos capazes de mostrar que materiais contendo grandes volumes de estrôncio na superfície têm um efeito prejudicial:"Se houver muitos átomos de estrôncio na superfície, o oxigênio não é incorporado de forma muito eficaz, "diz Rupp." O oxigênio é absorvido pela superfície do cátodo de forma muito desigual. Em alguns pontos preferenciais, por exemplo, onde os átomos de cobalto estão localizados, o oxigênio é incorporado de forma eficaz. Contudo, nos pontos onde o estrôncio domina, quase nenhum oxigênio é capaz de entrar no cátodo. "Isso também explica por que as células de combustível se deterioram com o tempo, à medida que o estrôncio dentro do material migra para a superfície e cobre qualquer acúmulo ativo de cobalto, em última análise, mantendo o ar longe da célula de combustível.

Essas descobertas fornecem informações importantes sobre como o oxigênio é fundamentalmente incorporado em materiais como o LSC e quais processos causam a deterioração do desempenho das células de combustível. "Esta pesquisa nos levou a um grande passo em direção ao uso técnico de LSC como um material de célula de combustível, "Rupp acredita." Além do mais, nosso novo método de investigação, combinando revestimento ultrapreciso com medição elétrica, certamente encontrará outras aplicações importantes no campo dos iônicos de estado sólido. "