Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir cihaz olan bir yakıt hücresinin performansı, iyonların hücrenin malzemesinden ne kadar iyi hareket edebileceğine bağlıdır. Mevcut yakıt hücrelerinin çoğu 500 ° C’nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda çalışır.
Maliyetleri azaltmak ve çeşitli yakıtların kullanımını sağlamak için araştırmacılar, 200-500 ° C ara sıcaklık aralığında verimli çalışan yakıt hücreleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bununla birlikte, ilerleme, bu sıcaklıklarda etkili bir şekilde iyon yapabilen malzeme eksikliği ile sınırlandırılmıştır.
Tohoku Üniversitesi’nden bir ekip, “orta” sıcaklık aralığında hem protonları hem de elektronları verimli bir şekilde yürütebilen yeni bir malzeme keşfetti.
Bulgularını yayınladılar Amerikan Kimya Derneği Dergisi.
Tohoku Üniversitesi’nin ileri malzemeler için çok disiplinli araştırma enstitüsü yardımcı doçent olan Tomoyuki Yamasaki, “Bu tür malzemeler yakıt hücreleri ve hidrojen ayırma zarları gibi yeni nesil hidrojen enerji cihazları geliştirmek için gereklidir.” Dedi.
“Bu cihazlar, hidrojeni elektriğe dönüştürmeye veya hidrojen üretmeye yardımcı olur, bu da sürdürülebilir, düşük karbonlu bir topluma doğru kaymayı destekler.”
Araştırmacılar titanyum dioksitin (TIO2) Niyobyum (NB) ile katkılı, orta sıcaklıklarda yüksek proton ve elektron iletkenliğine sahip karışık bir iletken olarak işlev görür. NB, bir elektron donörü olarak işlev görür ve kristalde elektron yoğunluğunu arttırır. Bu elektronik iletkenliği arttırırken, NB’nin rolü bunun ötesine geçer.
NB, tio içindeki protonları stabilize eder2 kristal, malzemenin, tükenmemiş tio’dan 10 ila 100 kat daha fazla hidrojen emmesine izin verir2. Ayrıca, NB, pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü TI arasındaki bağlanmayı zayıflatır ve protonların hızlı bir şekilde yayılmasını sağlar. Birlikte, bu etkiler hem protonların hem de elektronların hızlı ve eşzamanlı iletimine yol açar.
Tohoku Üniversitesi’nin ileri malzemeler için çok disiplinli araştırma enstitüsü profesörü Takahisa Omata, “Bu çalışma yeni bir konsept öneriyor: elektron donörleri ile doping, elektron yoğunluğunu arttırıyor, bu da proton iletkenliğini arttırıyor.” Dedi.
Proton iletkenliğini ölçmek için ekip geliştirdikleri proton ileten bir cam elektrolit kullandı. Bu cam protonları iletir, ancak elektronları bloke eder ve bir elektronik iletkende bile proton iletiminin doğru ölçülmesine izin verir.
Yamasaki, “Bu teknik, yüksek elektronik bir iletkende proton iletimini açıkça izole etmemize ve değerlendirmemize izin verdi.” Dedi. “Ölçtüğümüz proton iletkenliği, aynı sıcaklıkta bilinen birçok proton iletim elektrolitinden daha yüksektir.”
Bu, ara sıcaklıklarda hem proton hem de elektron iletimini kolaylaştıran elektron-donör dopinginin ilk bildirilmesidir. Bu çalışma, yakıt hücreleri ve hidrojen ayırma zarları dahil olmak üzere gelecekteki enerji teknolojileri için mevcut malzeme aralığını büyük ölçüde genişletebilir.
