As nanopartículas podem afetar significativamente o desempenho e a estabilidade das células a combustível de óxido sólido (SOFCs). Em particular, a presença de nanopartículas gigantes pode causar o que é conhecido como “efeito sputter”, que leva a uma diminuição no desempenho celular ao longo do tempo.

Veja como nanopartículas gigantes podem causar o efeito de pulverização catódica em SOFCs:

1. Formação de Nanopartículas Gigantes:Durante a operação de uma SOFC, o gás combustível (geralmente hidrogênio) reage com íons de oxigênio no ânodo para produzir vapor de água e liberar elétrons. Esses elétrons fluem pelo circuito externo, gerando uma corrente elétrica. No entanto, sob certas condições, especialmente a altas temperaturas de funcionamento, o material do ânodo (tipicamente níquel) pode começar a aglomerar-se e formar nanopartículas gigantes.

2. Processo de pulverização catódica:As nanopartículas gigantes formadas na superfície do ânodo são expostas ao ambiente de alta temperatura e podem se tornar altamente móveis. Essas nanopartículas podem ser pulverizadas ou ejetadas da superfície do ânodo devido a colisões com moléculas de gás de alta energia ou íons presentes no gás combustível.

3. Deposição no cátodo:As nanopartículas pulverizadas podem viajar através do eletrólito e depositar-se na superfície do cátodo. Como o cátodo geralmente é feito de um material poroso, as nanopartículas podem se acumular em seus poros, bloqueando a área superficial ativa e dificultando a reação de redução do oxigênio.

4. Degradação do desempenho:O acúmulo de nanopartículas na superfície do cátodo obstrui o fluxo de oxigênio para os sítios ativos do cátodo. Como resultado, a taxa de reação de redução de oxigênio diminui, levando a uma redução no desempenho geral da célula. Este fenômeno é comumente observado como uma queda de tensão ao longo do tempo em SOFCs.

5. Aumento da resistência celular:A presença de nanopartículas na superfície do cátodo também aumenta a resistência interna da célula. Isso ocorre porque as nanopartículas atuam como barreiras, dificultando a transferência de elétrons e íons entre o cátodo e o eletrólito. O aumento da resistência contribui ainda mais para a diminuição do desempenho celular.

6. Estabilidade a longo prazo:O efeito de pulverização catódica causado por nanopartículas gigantes pode ter um impacto significativo na estabilidade e durabilidade a longo prazo das SOFCs. A exposição prolongada a altas temperaturas e gás combustível pode acelerar a formação e pulverização catódica de nanopartículas, levando a uma degradação gradual do desempenho celular ao longo do tempo.

Minimizar a formação e o impacto de nanopartículas gigantes é um desafio fundamental no desenvolvimento de SOFCs duráveis ​​e de alto desempenho. Várias estratégias, como otimizar a microestrutura do ânodo, modificar a composição do combustível e incorporar técnicas de mitigação de nanopartículas, foram investigadas para abordar o efeito de pulverização catódica e melhorar o desempenho geral e a estabilidade das SOFCs.