Новый материал, описанный в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики, может открыть путь к более эффективным топливным элементам.
Материал, сверхрешетка, разработанная исследователями в Испании, улучшает ионную проводимость при комнатной температуре почти в 100 миллионов раз, что представляет собой «колоссальное увеличение свойств ионной проводимости», - сказала Мария Варела из отдела материаловедения ORNL. и Технологический отдел, который охарактеризовал структуру материала вместе со старшим научным сотрудником Стивеном Пенникуком.
Анализ был выполнен с помощью 300-киловольтного сканирующего просвечивающего электронного микроскопа ORNL с Z-контрастом, который может достигать разрешения с поправкой на аберрацию около 0,6 ангстрем, что до недавнего времени было мировым рекордом. На прямых изображениях показана кристаллическая структура, определяющая проводимость материала.
"Это потрясающе", - сказал Варела. «Мы видим напряженную, но все же упорядоченную структуру интерфейса, которая открывает широкий путь для проведения ионов».
Технология твердооксидных топливных элементов требует ионопроводящих материалов - твердых электролитов, - которые позволяют ионам кислорода перемещаться от катода к аноду. Однако в существующих материалах отсутствуют пустоты атомного масштаба, достаточно большие, чтобы легко вместить путь проводимого иона, который намного больше, чем, например, электрон..
«Новый слоистый материал решает эту проблему, объединяя два материала с очень разными кристаллическими структурами. Несоответствие вызывает искажение расположения атомов на их границе раздела и создает путь, по которому ионы могут легко перемещаться», - сказал Варела.
Другие материалы для топливных элементов вынуждают ионы двигаться по узким путям с небольшим пространством для ионов, что замедляет их движение. Вместо того, чтобы заставлять ионы прыгать из отверстия в отверстие, в новом материале есть «много свободных мест, которые нужно заполнить», говорит Варела, поэтому ионы могут перемещаться намного быстрее.
В отличие от предыдущих материалов для топливных элементов, которые должны достигать высоких температур для проведения ионов, новый материал сохраняет ионную проводимость при температурах, близких к комнатным. Высокие температуры были главным препятствием для разработчиков технологии топливных элементов.
Исследовательская группа из Мадридского университета Комплутенсе и Мадридского политехнического университета изготовила материал и наблюдала его выдающиеся свойства проводимости, но структурные характеристики, которые позволяют материалу так хорошо проводить ионы, не были известны до тех пор, пока материал не был использован. под микроскопом сверхвысокого разрешения в ORNL.
Документ, созданный совместно исследователями из университетов Мадрида и ORNL, был опубликован 1 августа в журнале Science.