Vandenilis yra tvarus energijos nešiklis. „Žaliasis“ vandenilis, gaminamas naudojant atsinaujinančią energiją, gali būti naudojamas kaip energijos kaupiklis ir kuras. Siekiant padidinti jo gamybos ir naudojimo efektyvumą, ilgaamžiškumą ir mažinti sąnaudas, reikalingos naujos medžiagos. Membranos, naudojamos kuro elementuose ir elektrolizatoriuose, yra svarbios įrenginių veikimo efektyvumui. Dažnai tokios membranos gaminamos iš specialiosios keramikos.
Kaip tiksliai vandenilio jonų – protonų – elgesys keramikos membranose susijęs su jų medžiagos struktūra, dar nėra visiškai suprantama. Šveicarijos nacionalinio fondo (SNF) finansuojamame projekte Empa mokslininkai Artur Braun vadovaujant tarptautiniams partneriams tiria šį klausimą.
Braun ir jo komanda jau 20 metų domisi keramikiniais protonų laidininkais. Geros protonų laidininkės turi atitikti du pagrindinius reikalavimus: jos turi sugerti kuo daugiau protonų, o protonai turi kuo laisviau judėti medžiagoje. Tačiau šios dvi savybės, optimizavus vieną, dažnai blogina kitą.
"Unwegsames Gelände statt freier Fahrt"
„Keramikos membraną galima įsivaizduoti kaip kraštovaizdį, kurį kerta keliai. Protonai juda šiais keliais kaip automobiliai“, „Kuo daugiau automobilių kelyje, tuo labiau trukdo eismas. „Daugiakryptė protonų greitkelis, kuriame krūvį galima lengvai perkelti į abi puses, tai tik svajonė“, paaiškina Braun. Tačiau šiuo metu įprastos protonų membranos labiau primena sunkiai įveikiamą teritoriją, kurioje protonai kovoja per siaurus takelius.
Tačiau, skirtingai nuo mums pažįstamų kraštovaizdžių, keramikos membranų kristalinės gardelės yra dinamiškos – kitaip tariant, kintamos. Ankstesniame darbe Braun komanda įrodė, kad protonų laidumas gerai vandenį perduodančioje keramikoje ne visada yra stabilus, bet kartais sumažėja, o kartais pasiekia aukščiausius rodiklius. „Tai yra taip, lyg kalnų šlaitai ir slėniai staiga išsilygintų. Protonai akimirkai gauna laisvą kelią“, aiškina Braun. Empa komanda taip pat galėjo parodyti, kad protonų transportas keraminėse medžiagose yra glaudžiai susijęs su kristalinės gardelės vibracijomis – ir kad gardelėje įterpti protonai gali pakeisti šias vibracijas.
"Kristallgitterio atsakymai"
Šio efekto supratimui gerinti yra siekiama tirti ne gerą protonų laidininką, bet prastą. Lantan-keramikinis oksidas (LCO) gali sugerti daug protonų, bet jų neperneša. „Jei prastą protonų laidininką palygintume su spūstimi, LCO yra tikras transporto sąstingis“, sako Braun.
Tačiau šis tariamas trūkumas mokslininkams suteikia unikalią galimybę ištirti medžiagos struktūros poveikį protonų laidumui. Kartu su aukštos skiriamosios gebos kristalografinės struktūros išsiaiškinimu naudojant neutronus Paul Scherrer institute (PSI), komanda naudoja naujus metodus Didžiųjų tyrimų įstaigose JAV ir Japonijoje, siekiant tiksliai išmatuoti kristalinių gardelių vibracijas ir eksperimentiškai patikrinti teorinius modelius. „Jei suprasime protonų laidumo mokslo pagrindus, galėsime pasakyti, kaip būsimos keramikos medžiagos gali tapti geresnėmis protonų laidininkėmis, taip galėsime efektyviau gaminti membranas kuro elementams ir elektrolizatoriams“, paaiškina fizikas.
Kontaktas:
Dr. Artur Braun
Aukštosios keramikos technologijos
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch