Οι κυψέλες καυσίμου (fuel cells) οι οποίες μετατρέπουν τη χημική ενέργεια που περιέχεται σε μόρια υδρογόνου και οξυγόνου σε ηλεκτρική ενέργεια και νερό, είναι πηγές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον.
Η νέα τεχνολογία στον τομέα, οι πρωτονικές κεραμικές κυψέλες καυσίμου (Protonic Ceramic Fuel Cells, PCFC), οι οποίες βασίζονται σε κεραμικούς ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης για τη μεταφορά των πρωτονίων από την άνοδο στην κάθοδο, είναι πολλά υποσχόμενες λόγω των χαμηλών εκπομπών ρύπων και της υψηλής θερμοδυναμικής τους απόδοσης. Ωστόσο, το μεγαλύτερο εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση των PCFCs είναι η έλλειψη υλικών για την κατασκευή των καθόδων, τα οποία θα χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος.
Επί του παρόντος, οι περοβσκίτες με βάση το κοβάλτιο είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά για τις καθόδους. Ωστόσο, οι ασταθείς φάσεις, η κακή θερμομηχανική συμβατότητα με τα άλλα συνιστώντα μέρη ενός PCFC, το υψηλό κόστος και η μη ικανοποιητική απόδοση περιορίζουν τη βιωσιμότητα αυτών των υλικών.
Ερευνητές στο Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) έχουν σχεδιάσει ένα καινοτόμο υλικό καθόδου με βάση τον σίδηρο για να επιτύχουν απόδοση ρεκόρ για πρωτονικές κεραμικές κυψέλες καυσίμου. Η έρευνα αυτή αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την ανάπτυξη και την εμπορευματοποίηση αυτών των ιδιαίτερα υποσχόμενων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Η ερευνητική ομάδα συνδύασε first-principle simulations, molecular orbital analysis και πειράματα για να σχεδιάσει νέα, φθηνά κεραμικά που χρησιμοποιούν στοιχεία χαμηλού κόστους, όπως το βάριο (Ba), ο σίδηρος (Fe) και το ζιρκόνιο (Zr), δημιουργώντας μία κυψέλη καυσίμου τύπου PCFC με απόδοση ρεκόρ.
Η ομάδα σχεδίασε τα υλικά της καθόδου με βάση τις βασικές φυσικοχημικές αρχές και τη Density Functional Theory (DFT). μία μέθοδο που στηρίζεται στις αρχές της κβαντομηχανικής για τον υπολογισμό της ηλεκτρονικής δομής των ατόμων, των μορίων και των στερεών σωμάτων.
Μέσω της υπολογιστικά καθοδηγούμενης βελτιστοποίησης, η ένωση Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ (D-BFZ) αναγνωρίστηκε ως το πιο πολλά υποσχόμενο καθοδικό υλικό. Τα πειράματα απέδειξαν ότι η ένωση έχει εξαιρετική ηλεκτροχημική δραστηριότητα ως προς την αντίδραση με το οξυγόνο, επιτυγχάνοντας υψηλή πυκνότητα ισχύος και εξαιρετική λειτουργική σταθερότητα.
Επιπλέον, η ένωση D-BFZ μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας απλές τεχνικές σύνθεσης, κατάλληλες για μαζική παραγωγή, κάτι που είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατασκευή εμπορικά βιώσιμων PCFCs.
«Η τεχνολογία κυψελών καυσίμου τύπου PCFC θα μπορούσε πραγματικά να αλλάξει εντελώς τα παράγματα και υπάρχουν πολλές συναρπαστικές ευκαιρίες για περαιτέρω ανάπτυξη. Θα συνεχίσουμε να αξιοποιούμε τις σχετικές υπολογιστικές τεχνικές και πειράματα για να βελτιώσουμε την απόδοση των PCFCs. Εάν χρησιμοποιηθούν, οι PCFCs θα έχουν τεράστιο αντίκτυπο σε τομείς που είναι δύσκολο να απεξαρτηθούν από τον άνθρακα, όπως η μεταλλουργία, η παραγωγή αμμωνίας και οι μεταφορές βαρέως τύπου». είπε ο καθηγητής Francesco Ciucci, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας.
Με πληροφορίες από inceptivemind.com
