27.03.2020 - Tokyo University of Science

Innovativer dünnerer Elektrolyt kann Funktion von Festoxid-Brennstoffzellen verbessern

Neuen dünner Film könnte die Energieproduktion effizienter und sauberer machen

Im Zeitalter der Postindustrialisierung ist Elektrizität zum Rückgrat unserer Gesellschaft geworden. Die Nutzung fossiler Brennstoffe zu ihrer Erzeugung ist jedoch nicht die beste Option, da sie nur begrenzt verfügbar und schädlich ist. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Techniken zur Förderung nachhaltiger Energie zu entwickeln. Vor diesem Hintergrund sind Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) als saubere und hocheffiziente Alternative zur Erzeugung elektrischer Energie aufgestiegen. Ein wesentlicher Nachteil der SOFCs ist jedoch ihre hohe Betriebstemperatur, die ihre weit verbreitete Verwendung einschränkt.

Verschiedene frühere Studien haben versucht, diesen Nachteil zu überwinden, indem sie die Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen mit Hilfe von Oxiden vom Typ Fluorit wie CeO2-δ verbessert haben. Normalerweise liegen diese Fluoritoxide in poröser Form vor, und es wird angenommen, dass ihr Leitfähigkeitsmechanismus von der Oberflächenadsorption von Wassermolekülen abhängt, d.h. von dem Prozess der Anhaftung von Atomen oder Molekülen an einer Oberfläche.

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Tokio unter der Leitung von Dr. Tohru Higuchi hat diese Forschung einen Schritt nach vorn gebracht. In ihrer neuen Studie, die in Nanoscale Research Letters veröffentlicht wurde, untersuchten die Forscher die Auswirkungen des "Dotierens", d.h. des Hinzufügens von Verunreinigungen zur Veränderung ihrer Leitfähigkeit, auf diese Oxide, die ein sehr guter Kandidat für SOFCs sind. Die Forscher "dotierten" das Oxid mit einem Metall namens Samarium (Sm). Dann stellten sie dünne Schichten dieses dotierten Oxids auf einem Substrat aus Aluminiumoxid (Al2O3) in einer bestimmten Richtung her, von der bekannt ist, dass sie die Leitfähigkeit erhöht. Dr. Higuchi hält dies für einen Vorteil und erklärt: "Wenn man praktische Vorrichtungen in Betracht zieht, sind dünne Schichtformen besser geeignet als poröse oder nanokristalline Formen.

Anschließend charakterisierte das Forschungsteam die kristalline Qualität und die elektronische Struktur des neuartigen Films. Sie verglichen auch den Unterschied in der Leitfähigkeit zwischen dieser neuartigen Schicht und den in der Industrie üblichen dicken Keramikoxiden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Keramikprobe eine schlechte Kristallinität und eine schlechte Protonenleitfähigkeit im Vergleich zur Dünnschichtprobe aufwies.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der "Widerstand" - oder der Widerstand gegen elektrischen Fluss - des dünnen Films mit zunehmender Feuchtigkeit aufgrund der "Protonenleitung" in Fluorit-Oxiden abnimmt, wie durch den Grotthuss-Mechanismus erklärt wird. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Atomen Sauerstoff und einem Atom Wasserstoff. Die Wassermoleküle haben Bindungen zwischen ihnen, die so genannten "Wasserstoffbindungen". Der Grotthuss-Mechanismus (oder der "Hopfen-Wende"-Mechanismus) ermöglicht es, die Wassermoleküle in Ionen zu spalten, die die Leitfähigkeit erhöhen, und sie so von einer Wasserstoffbindung zur anderen zu bewegen. Es wurde festgestellt, dass der neuartige Film im Tieftemperaturbereich unter 100°C eine Oberflächenprotonenleitung aufweist.

Dieser neuartige Film mit seiner hohen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur wird in Zukunft sicherlich mehrere Anwendungen haben. Im Hinblick auf SOFCs kommt Dr. Higuchi zu dem Schluss: "Unsere Studie über Elektrolytmembranen stellt radikale Erkenntnisse vor, die zur Senkung der Betriebstemperatur von SOFCs beitragen können und ein alternatives System zur Herstellung von praktischeren Geräten mit Fluorit-Oxiden in SOFCs sein können und neue Wege für die nukleare und thermische Stromerzeugung in der Zukunft eröffnen.

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