As posições iniciais dos átomos neste modelo de computador de uma célula de combustível de óxido sólido foram baseadas em observações da configuração atômica real usando microscopia eletrônica. Simulações usando este modelo revelaram uma reação não relatada anteriormente (caminho vermelho) em que uma molécula de oxigênio da camada de zircônia estabilizada com ítria (camada de bolas vermelhas e azuis claras) se move através da camada de níquel (bolas azuis escuras) antes de formar OH no superfície de níquel. Crédito:Michihisa Koyama, Universidade Kyushu
Simulações de pesquisadores no Japão fornecem novos insights sobre as reações que ocorrem em células de combustível de óxido sólido usando modelos realistas em escala atômica do sítio ativo no eletrodo com base em observações de microscópio como ponto de partida. Esse melhor entendimento pode fornecer dicas sobre maneiras de melhorar o desempenho e a durabilidade em dispositivos futuros.
Extremamente promissor para a geração de eletricidade limpa e eficiente, células de combustível de óxido sólido produzem eletricidade por meio da reação eletroquímica de um combustível com o ar, e eles já começaram a encontrar seu caminho em casas e prédios de escritórios em todo o Japão.
Em uma célula de combustível típica, as moléculas de oxigênio em um lado da célula de combustível primeiro recebem elétrons e se dividem em íons de óxido. Os íons de óxido, então, viajam através de um eletrólito para o outro lado do dispositivo, onde eles reagem com o combustível e liberam seus elétrons extras. Esses elétrons fluem através de fios externos de volta ao lado inicial, completando assim o circuito e alimentando tudo o que está conectado aos fios.
Embora essa reação geral seja bem conhecida e relativamente simples, a etapa de reação que limita a taxa geral do processo permanece controversa porque as estruturas complicadas dos eletrodos - que geralmente são materiais porosos em oposição aos simples, superfícies planas - atrapalham a investigação dos fenômenos no nível atômico.
Uma vez que o conhecimento detalhado sobre as reações que ocorrem nos dispositivos é vital para melhorar ainda mais o desempenho e a durabilidade das células de combustível, o desafio tem sido entender como as estruturas microscópicas - até o alinhamento dos átomos nas diferentes interfaces - afetam as reações.
"As simulações de computador desempenharam um papel poderoso na previsão e compreensão de reações que não podemos observar facilmente na escala atômica ou molecular, "explica Michihisa Koyama, o chefe do grupo que liderou a pesquisa no INAMORI Frontier Research Center da Kyushu University.
"Contudo, a maioria dos estudos assumiu estruturas simplificadas para reduzir o custo computacional, e esses sistemas não podem reproduzir as estruturas e comportamentos complexos que ocorrem no mundo real. "
O grupo de Koyama teve como objetivo superar essas deficiências aplicando simulações com parâmetros refinados a modelos realistas das interfaces principais com base em observações microscópicas das posições reais dos átomos no local ativo do eletrodo.
Aproveitando a força do Centro de Pesquisa em Ultramicroscopia da Universidade de Kyushu, os pesquisadores observaram cuidadosamente a estrutura atômica de fatias finas das células de combustível usando microscopia eletrônica de resolução atômica. Com base nessas observações, os pesquisadores então reconstruíram modelos de computador com as mesmas estruturas atômicas para dois arranjos representativos que eles observaram.
As reações entre hidrogênio e oxigênio nessas células de combustível virtuais foram então simuladas com um método chamado Dinâmica Molecular de Campo de Força Reativa, que usa um conjunto de parâmetros para aproximar como os átomos irão interagir - e até mesmo reagir quimicamente - uns com os outros, sem entrar em toda a complexidade de cálculos químicos quânticos rigorosos. Nesse caso, os pesquisadores empregaram um conjunto aprimorado de parâmetros desenvolvidos em colaboração com o grupo de Yoshitaka Umeno na Universidade de Tóquio.
Olhando para o resultado de várias execuções das simulações nos diferentes sistemas de modelo, os pesquisadores descobriram que as reações desejadas eram mais prováveis de ocorrer em camadas com um tamanho de poro menor.
Além disso, eles identificaram uma nova via de reação na qual o oxigênio migra através das camadas em massa de uma forma que pode degradar o desempenho e a durabilidade. Assim, estratégias para evitar essa rota de reação potencial devem ser consideradas enquanto os pesquisadores trabalham para projetar células de combustível aprimoradas.
"Esses são os tipos de percepções que só poderíamos obter observando os sistemas do mundo real, "comenta Koyama." No futuro, Espero ver mais pessoas usando estruturas atômicas do mundo real recriadas a partir de observações de microscópio como base de simulações para compreender fenômenos que não podemos medir e observar facilmente em laboratório. "
