Ūdeņradis ir ilgtspējīgs enerģijas nesējs. «Zaļš», respektīvi, ar atjaunojamo enerģiju ražots ūdeņradis var tikt izmantots kā enerģijas akumulators un degviela. Lai padarītu tā ražošanu un izmantošanu efektīvāku, ilgstošāku un lētāku, ir nepieciešami jauni materiāli. Membrānas, kas tiek izmantotas degvielas šūnās un elektrolīzeros, būtiski ietekmē iekārtu efektivitāti. Šādas membrānas bieži tiek ražotas no speciālajām keramikām.
Kā tieši ūdeņraža jonu jeb protonu uzvedība keramikas membrānās ir saistīta ar to materiāla struktūru, vēl nav pilnībā saprasts. Projektā, ko finansē Šveices Nacionālais fonds (SNF), Empa pētnieki Artura Brauna vadībā, kurš ir augstas veiktspējas keramikas laboratorijas grupas vadītājs, kopā ar starptautiskajiem pētniecības partneriem vēlas rast atbildes uz šo jautājumu.
Brauns un viņa komanda jau 20 gadus nodarbojas ar keramikas protonu vadītāju pētījumiem. Labam protonu vadītājam ir jāatbilst divām prasībām: tam jābūt iespējai uzņemt pēc iespējas vairāk protonus, un protoniem jāspēj brīvi pārvietoties materiālā. Tomēr šīs divas īpašības bieži vien ir pretrunīgas: optimizējot vienu, parasti pasliktinās otra.
"Keramikas membrānu var iedomāties kā ainavu, ko šķērso ceļi. Protonus pārvietojas pa šiem ceļiem kā automašīnas," salīdzina Brauns. Jo vairāk automašīnu ir uz ceļiem, jo lielāks ir satiksmes sastrēgums. "Vairākjoslu protonu šoseja, kurā lādiņi var brīvi plūst abos virzienos, ir kā vēlamais scenārijs", viņš saka. Tomēr pašreizējās protonu membrānas vairāk atgādina sarežģītu apvidu, kur protoni ar grūtībām šķērso šaurus ceļus.
Pretēji parastajām ainavām, keramikas membrānu kristālu režģi ir dinamiskas – tātad mainīgas. Iepriekšējā darbā Brauna komanda spēja pierādīt, ka protonu vadītspēja labi vadītajās keramikas materiālos ne vienmēr paliek nemainīga, bet dažkārt tā samazinās, bet dažkārt sasniedz maksimumus. "Tas ir tā, it kā kalni un ielejas pēkšņi būtu izlīdzināti. Protoniem uz īsu brīdi radītās iespējas brīvi pārvietoties", skaidro Brauns. Turklāt Empa komanda spēja parādīt, ka protonu pārnešana keramiskajos vadītājos ir cieši saistīta ar kristālu režģa vibrācijām un ka režģī iestrādātie protoni paši var mainīt tās vibrācijas.
Lai šo efektu labāk saprastu, pētnieki savā pašreizējā projektā neaplūko labu protonu vadītāju, bet drīzāk sliktu. Lanthāna-cērija oksīds (LCO) var daudz protonus uzņemt, bet neturpināt tos vadīt. "Ja slikts protonu vadītājs ir salīdzināms ar sastrēgumu, tad LCO gadījumā tas ir pilnīgs satiksmes infarkts", saka Brauns.
Tomēr šis šķietamais trūkums pētniekiem piedāvā unikālu iespēju izpētīt materiāla struktūras ietekmi uz protonu vadītspēju. Papildus augstas izšķirtspējas kristalogrāfiskai struktūras noskaidrošanai ar neitroniem Pola Šerera Īnstitūtā (PSI) komanda izmanto jaunas metodes lielās pētniecības iestādēs ASV un Japānā, lai precīzi izmērītu kristālu režģu vibrācijas un eksperimentāli pārbaudītu teorētiskos modeļus. "Ja mēs saprotam protonu vadītspējas zinātniskos pamatus, ideālā gadījumā varētu pateikt, kā nākotnes keramikas materiāli var kļūt labāki protonu vadītāji un tādējādi nodrošināt efektīvākas membrānas degvielas šūnām un elektrolīzeriem", skaidro fiziķis.
kontakts:
Dr. Artur Braun
Augstas veiktspējas keramika
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch