Vety on kestävä energian kantaja. Uusiutuvalla energialla tuotettu «vihreä» vety voi toimia energiavarastona ja polttoaineena. Sen tuotannon ja käytön tehokkuuden, keston ja kustannusten parantamiseksi tarvitaan uusia materiaaleja. Polttokennoissa ja elektrolyysilaitteissa käytettävät membraanit ovat merkittävässä asemassa laitteiden tehokkuuden kannalta. Näitä membraaneja valmistetaan usein erikoiskeraameista.
Kuinka tarkkaan ottaen vetymolekyylien – protonien – käyttäytyminen keraamisissa membraaneissa liittyy niiden materiaalirakenteeseen, ei ole vielä täysin ymmärretty. Sveitsin kansallisen tiedesäätiön (SNF) rahoittamassa projektissa Empan tutkijat Artur Braunin, korkean suorituskyvyn keramiikan laboratorion ryhmäpäällikön, johdolla aikovat yhdessä kansainvälisten tutkimuskumppaneiden kanssa tutkia tätä kysymystä.
Braun ja hänen tiiminsä ovat työskennelleet keraamisten protoninjohtimien parissa jo 20 vuotta. Hyvien protoninjohtimien on täytettävä kaksi päävaatimusta: niiden on pystyttävä ottamaan mahdollisimman paljon protoneja, ja protonien on voitava liikkua mahdollisimman vapaasti materiaalissa. Nämä kaksi ominaisuutta ovat kuitenkin ristiriidassa keskenään: jos yhtä optimoidaan, toinen yleensä heikkenee.
Unwegsames Gelände statt freier Fahrt
«Voidaan kuvitella, että keraaminen membraani on kuin maisema, jota kulkevat tiet halkovat. Protonit liikkuvat näillä teillä kuten autot», vertaa Braun. Mitä enemmän autoja on liikkeellä teillä, sitä enemmän liikenne pysähtyy. «Usean kaistan protonimoottoritie, jolla lataukset voivat virrata esteettä molempiin suuntiin, on toiveajattelua», hän jatkaa. Nykyiset protonimembraanit muistuttavat kuitenkin enemmän vaikeakulkuista maastoa, jota protonit kulkevat vaivalloisesti kapeita polkuja pitkin.
Toisin kuin meille tutut maisemat, keraamimembraanien kiderakenteet ovat dynaamisia – eli muuttuvia. Aikaisemmassa työssä Braunin tiimi pystyi osoittamaan, että hyvin johtavien keraamien protoninjohtavuus ei ole aina sama, vaan se voi joskus olla alhaisempaa, mutta toisinaan saavuttaa huippuarvoja. «Se on kuin vuoret ja laaksot tasoittuivat yhtäkkiä. Protonit saavat hetkeksi niin sanoakseni vapaan kulun», selittää Braun. Empan tiimi pystyi myös osoittamaan, että protonikuljetus keraamisissa johteissa on tiiviisti kytketty kidehilan tärinöihin – ja että kiteeseen upotetut protonit voivat muuttaa näitä tärinöitä itse.
Die Antworten im Kristallgitter
Jotta ymmärrät tämän vaikutuksen paremmin, nykyisessä projektissa tutkijat eivät keskity hyvään protoninjohtimeen, vaan pikemminkin huonoon. Lantaani- ceria-oksidi (LCO) voi ottaa vastaan monia protoneja, mutta ei johda niitä eteenpäin. «Jos huono protoninjohtaja voidaan verrata ruuhkaan, LCO:ta voisi kutsua liikennekaaokseksi», sanoo Braun.
Tämä näennäinen haitta tarjoaa tutkijoille kuitenkin ainutlaatuisen tilaisuuden tutkia materiaalirakenteen vaikutusta protoninjohtavuuteen. Paul Scherrer Instituutin (PSI) korkean resoluution neutronikristallirakenteen selvityksen lisäksi tiimi käyttää uusia menetelmiä suurilla tutkimuslaitteilla Yhdysvalloissa ja Japanissa kidehilojen tärinöiden tarkkaan mittaamiseen ja teoreettisten mallien kokeelliseen vahvistamiseen. «Jos ymmärrämme protoninjohtavuuden tieteelliset perusteet, voimme parhaimmillaan sanoa, kuinka tulevaisuuden keraamit voisivat olla parempia protoninjohtajia ja siten mahdollistaa tehokkaampia membraaneja polttokennoihin ja elektrolyysilaitteisiin», selittää fyysikko.
yhteystiedot:
Dr. Artur Braun
Korkean suorituskyvyn keramiikka
Puh. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch