O hidrogênio é considerado a fonte de energia do futuro:é produzido com energia solar e pode ser usado para gerar calor e eletricidade em células a combustível. Os pesquisadores da Empa agora conseguiram decodificar o movimento dos íons de hidrogênio nos cristais - um passo fundamental para uma conversão de energia mais eficiente na indústria de hidrogênio de amanhã.

Como transportadores de carga, elétrons e íons desempenham o papel principal em dispositivos e conversores de armazenamento de energia eletroquímica, como baterias e células de combustível. A condutividade do próton é crucial para o último; prótons, ou seja, íons de hidrogênio carregados positivamente, são formados de hidrogênio, que é usado para alimentar a célula de combustível. O físico da Empa Artur Braun e Qianli Chen, estudante de doutorado na ETH Zurich, conduziram experimentos de espalhamento de nêutrons na Swiss Spallation Neutron Source (SINQ) no Paul Scherrer Institute (PSI) que documentam a mobilidade dos prótons na rede cristalina. No processo, eles observaram que os movimentos dos prótons nas células a combustível cerâmicas obedecem a leis muito mais complexas do que as assumidas anteriormente:O movimento dos prótons ocorre de acordo com o chamado modelo polaron, como os pesquisadores relataram recentemente no renomado jornal Nature Communications .

Por muito tempo, a teoria polaron desenvolvida pelo físico russo e eventual vencedor do Prêmio Nobel Lev Davidovich Landau em 1933 se aplicava apenas aos elétrons. O modelo descreve como os elétrons "serpenteiam" seu caminho através de um cristal dielétrico e forçam os átomos "interferentes" para fora da posição, o que retarda os elétrons. Em outras palavras, polarons são ondas de movimento no cristal, cuja propagação pode ser descrita como a trajetória de uma partícula. Eles podem ser desviados e refletidos.

O polaron do elétron tem sido um pilar da física teórica e a base indiscutível para cálculos de modelos aplicados em círculos de especialistas. Por contraste, a existência de um polaron de hidrogênio - ou seja, um íon de hidrogênio que "salta" de uma posição para a outra - era apenas uma teoria especulativa até agora. Embora os biólogos tenham usado o modelo de átomos de hidrogênio saltando para explicar certos processos metabólicos, os físicos do estado sólido não consideravam os polarons do hidrogênio como um modelo explicativo válido.

Isso agora pode mudar:com base em experimentos usando óxido de bário cérico dopado com ítrio e cristais de óxido de bário e zircônio, Braun e Chen conseguiram provar a existência do polaron próton. Em um estado seco, esses cristais não são condutores. Se eles forem expostos a uma atmosfera de vapor, Contudo, Grupos OH se formam dentro da estrutura cristalina. Os prótons liberados podem então se mover em forma de onda e o óxido torna-se ionicamente condutor.

Calor e alta pressão fornecem prova

Braun e Chen encontraram evidências de ondas de íons de hidrogênio estudando os cristais em diferentes condições de alta pressão e em temperaturas de até 600 graus Celsius. A boa conectividade da Empa no mundo científico foi fundamental:as amostras foram radiografadas na fonte de nêutrons do PSI e os experimentos de alta pressão nos cristais foram conduzidos em conjunto com pesquisadores da Faculdade de Geociências / Geografia da Universidade Goethe, Frankfurt am Main.

O resultado:a temperaturas entre 220 e 520 graus, a condutividade aumenta exatamente na mesma extensão prevista nos cálculos do modelo para as vibrações da rede do cristal. Os prótons são, portanto, inicialmente ligados à rede cristalina e começam a pular através do cristal de um grupo OH para outro no concerto das vibrações da rede quando aquecidos. Se o cristal for exposto a alta pressão com um compactador especial, há menos espaço para os saltos de prótons e a condutividade cai novamente. Isso prova que o modelo polaron se aplica a elétrons e prótons. "E quem sabe, talvez a teoria também seja verdadeira para outros íons, como o lítio, "especula Braun.

As descobertas dos pesquisadores da Empa podem render em breve informações vitais sobre a escolha do material para células de combustível e sistemas de armazenamento de hidrogênio - e, assim, influenciar o suprimento de energia do futuro. Contudo, o comportamento dos isoladores de cerâmica também pode ser medido de forma mais eficaz agora:eles ainda isolam bem em altas temperaturas no ar externo úmido? Ou desenvolvem-se vazamentos de corrente que podem ser atribuídos à condução do polaron? Graças ao projeto de Braun e Chen, que foi financiado pela Swiss National Science Foundation (SNSF), certos enigmas da ciência dos materiais podem assim ser resolvidos.