Brint er en bæredygtig energibærer. "Grøn" brint, altså brint produceret med vedvarende energi, kan bruges som energilager og brændstof. For at gøre dets produktion og anvendelse mere effektiv, holdbar og omkostningseffektiv, er nye materialer nødvendige. Membranerne, der anvendes i brændselsceller og elektrolyseanlæg, er væsentlige for, hvor effektivt enhederne fungerer. Sådanne membraner fremstilles ofte af specialkeramik.
Hvordan brintionernes - protonernes - opførsel i keramikmembranerne præcist hænger sammen med deres materialestruktur, er endnu ikke fuldt ud forstået. I et projekt finansieret af Det Schweiziske Nationalfond (SNF) ønsker Empa-forskere under ledelse af Artur Braun, gruppeleder i laboratoriet for højtydende keramik, sammen med internationale forskningspartnere at undersøge dette spørgsmål.
Braun og hans team har beskæftiget sig med keramiske protonledere i 20 år. Gode protonledere skal især opfylde to krav: De skal kunne optage så mange protoner som muligt, og protonerne skal kunne bevæge sig frit i materialet. Disse to egenskaber står dog i modsætning til hinanden: Hvis man optimerer den ene, forringes ofte den anden.
"Man kan forestille sig keramikmembranen som et landskab gennemboret af veje. Protonerne bevæger sig på disse veje som biler," sammenligner Braun. Jo flere biler der er på vejen, desto mere stopper trafikken. "En flersporet proton-motorvej, hvor ladningerne uhindret kan strømme i begge retninger, er en ønskeforestilling," uddyber han. Men de nuværende protonmembraner ligner snarere et terræn, hvor protonerne skal bevæge sig besværligt over smalle stier.
Men i modsætning til de landskaber vi kender, er krystalgitrene i keramikmembraner dynamiske – det vil sige foranderlige. I et tidligere arbejde kunne Brauns team vise, at protonledbarheden i godt ledende keramiker ikke altid er konstant, men nogle gange lavere, mens den andre gange opnår topværdier. "Det er som om bjerge og dale udligner sig på et tidspunkt. Protonerne får så at sige fri passage for en kort stund," forklarer Braun. Empa-teamet kunne også demonstrere, at protontransporten i keramiske ledere er tæt forbundet med krystalgitrenes svingninger – og at indlejrede protoner i gitteret selv kan ændre disse svingninger.
For bedre at forstå denne effekt fokuserer forskerne i deres nuværende projekt ikke på en god protonleder, men snarere en dårlig. Lantan-Cer-Oxid (LCO) kan optage mange protoner, men leder dem ikke videre. "Hvis man sammenligner en dårlig protonleder med en trafikprop, så er der tale om et regulært trafikkaos ved LCO," siger Braun.
Denne tilsyneladende ulempe giver forskerne en unik mulighed for at undersøge materialestrukturens påvirkning på protonledbarheden. Udover højopløsnings-krystallografisk strukturundersøgelse med neutroner ved Paul Scherrer Institut (PSI) bruger teamet nye metoder ved storskalaforskningsanlæg i USA og Japan for præcist at måle krystalgitrenes svingninger og eksperimentelt teste de teoretiske modeller. "Hvis vi forstår de videnskabelige grundlag af protonledbarheden, kan vi ideelt set sige, hvordan fremtidige keramiker kan blive bedre protonledere og dermed muliggøre mere effektive membraner til brændselsceller og elektrolyseanlæg," forklarer fysikeren.
kontakte:
Dr. Artur Braun
Højtydende keramik
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch