Muitos de nós estão muito familiarizados com a forma como a tensão nas relações de trabalho pode afetar o desempenho, mas uma nova pesquisa mostra que os materiais nas células de combustível produtoras de eletricidade podem ser sensíveis à tensão em um nível totalmente diferente.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu relatam que a tensão causada por uma redução de apenas 2% na distância entre os átomos quando depositados em uma superfície leva a uma redução de 99,999% na velocidade com que os materiais conduzem íons de hidrogênio, reduzindo bastante o desempenho do combustível de óxido sólido células.

O desenvolvimento de métodos para reduzir essa tensão ajudará a levar células de combustível de alto desempenho para produção de energia limpa a um número maior de residências no futuro.

Capazes de gerar eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio enquanto emitem apenas água como "resíduo", as células de combustível dependem de um eletrólito para transportar íons produzidos pela quebra de moléculas de hidrogênio ou oxigênio de um lado do dispositivo para o outro.

Embora o termo eletrólito possa muitas vezes evocar imagens de líquidos e bebidas esportivas, eles também podem ser sólidos. Para células de combustível, os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em eletrólitos baseados em cerâmicas e óxidos sólidos – materiais duros compostos de oxigênio e outros átomos – que conduzem íons positivos de hidrogênio, também conhecidos como prótons.

Esses óxidos sólidos condutores de prótons não são apenas mais duráveis ​​do que líquidos e membranas poliméricas, mas também podem operar em faixas de temperatura médias de 300 a 600 °C, o que é menor que seus equivalentes condutores de íons de oxigênio.

“Uma chave para uma boa eficiência é fazer com que os prótons através do eletrólito reajam com o oxigênio o mais rápido possível”, diz Junji Hyodo, autor do estudo e professor assistente de pesquisa na Plataforma de Pesquisa de Energia Inter/Transdisciplinar da Universidade de Kyushu (Q -OPOR).

"No papel, temos materiais com ótimas propriedades que devem levar a um excelente desempenho quando usados ​​em células a combustível de óxido sólido, mas o desempenho real tende a ser muito menor."

Agora, os pesquisadores acham que sabem o porquê através de investigações sobre o que acontece onde o eletrólito encontra o eletrodo indutor de reação.

"As propriedades de materiais individuais são muitas vezes medidas em uma condição em que estão livres da influência das camadas circundantes - o que chamamos de volume. No entanto, quando uma camada de óxido é cultivada em uma superfície, seus átomos geralmente precisam se reajustar para acomodar as propriedades do material. a superfície subjacente, levando a diferenças em relação ao volume", explica Hyodo.

Para o estudo, os pesquisadores se concentraram em um óxido promissor conhecido como BZY20, que é uma combinação de átomos de ítrio, bário, zircônio e oxigênio. O BYZ20 forma um cristal com uma estrutura comum que se encaixa em um cubo e se repete várias vezes na superfície à medida que o óxido cresce.

Observando amostras com várias espessuras, eles descobriram que os átomos nas bordas desse cubo estão 2% mais próximos na interface entre o óxido e a superfície do que em camadas distantes da superfície. Além disso, essa tensão compressiva reduz a condutividade de prótons para quase 1/100.000 do que é em amostras a granel.

“Uma mudança de apenas 2% – de um metro para 98 cm em grande escala – pode parecer insignificante, mas em um dispositivo onde as interações acontecem em escala atômica, tem um impacto enorme”, diz Yoshihiro Yamazaki, professor da Q- PIT e orientador do estudo.

À medida que as camadas se acumulam, essa tensão compressiva reduz lentamente, com o cubo atingindo seu tamanho preferido longe da interface. Mas enquanto a condutividade pode ser alta longe da superfície, o dano já está feito.

A contabilização dessa condutividade reduzida ao calcular o desempenho esperado resulta em valores que concordam com o desempenho real da célula de combustível, indicando que a tensão provavelmente está desempenhando um papel na redução do desempenho.

"Embora tenhamos bons materiais individuais, é fundamental manter suas propriedades ao combiná-los em um dispositivo. Nesse caso, sabemos agora que são necessárias estratégias para reduzir a tensão onde o óxido encontra o eletrodo", diz Yamazaki.

A pesquisa foi publicada no Journal of Physics:Energy . + Explorar mais

Investigando novos materiais para reduzir a temperatura de operação de células a combustível de óxido sólido