Za tymi optymistycznymi doniesieniami stoją przedstawiciele Seoul National University, Korea Advanced Institute of Science and Technology oraz Korea Basic Science Institute. Ich celem było dokładniejsze zrozumienie tego, co dzieje się na granicy między elektrodą a gazem w ogniwach ze stałym tlenkiem.
Technologia ta jest szczególnie interesująca z punktu widzenia transformacji energetycznej. Ogniwa ze stałym tlenkiem mogą pracować zarówno jako ogniwa paliwowe, wytwarzając energię elektryczną z paliwa, jak i jako urządzenia elektrolityczne, które wykorzystują energię elektryczną do produkcji wodoru. Ich dużą zaletą jest wysoka sprawność, jednak działanie w wysokich temperaturach stawia przed konstruktorami poważne wyzwania.
Czytaj też: Zmarnowany metan dostarcza paliwa. Stojąca za tym technologia robi coś, czego od dawna potrzebowaliśmy
Jednym z najważniejszych problemów jest powierzchnia elektrod. To właśnie tam zachodzą reakcje decydujące o szybkości i wydajności całego urządzenia. W rzeczywistych ogniwach elektrody mają jednak bardzo złożoną, porowatą strukturę. Przez to trudno jednoznacznie stwierdzić, które fragmenty powierzchni odpowiadają za poszczególne procesy i w jaki sposób nanocząstki katalizatora wpływają na ich przebieg.
Naukowcy zastosowali więc specjalnie zaprojektowane modele elektrod, których struktura była znacznie prostsza i lepiej kontrolowana niż w konwencjonalnych urządzeniach. Dzięki temu mogli obserwować reakcje zachodzące na określonych obszarach powierzchni i oddzielić wpływ samego materiału od efektów wynikających ze skomplikowanej geometrii elektrody.
Pierwszoplanową rolę odegrały nanokatalizatory. Są to niezwykle małe cząstki materiałów, które mogą przyspieszać reakcje zachodzące na powierzchni elektrody. Badania pozwoliły lepiej określić, gdzie dokładnie nanocząstki aktywują reakcje oraz w jaki sposób ich obecność zmienia właściwości całego układu.
Okazało się, że klucz do sukcesu kryje granica pomiędzy nanokatalizatorem, elektrodą a otaczającym ją gazem. To właśnie w takich miejscach może dochodzić do szczególnie intensywnych reakcji elektrochemicznych. Zrozumienie tego mechanizmu pozwala projektować powierzchnie elektrod w taki sposób, aby zwiększać liczbę aktywnych miejsc bez konieczności przebudowy całego urządzenia.
Czytaj też: Paliwo z plastiku? I to jakie! Spalając je nie wytworzysz szkodliwych emisji
To istotna zmiana w podejściu do projektowania ogniw. Zamiast szukać materiału, który będzie po prostu lepszym katalizatorem, naukowcy mogą skupić się na precyzyjnym rozmieszczeniu niewielkich ilości katalizatora w miejscach, gdzie jego działanie będzie najbardziej efektywne.
Poza tym ogniwa ze stałym tlenkiem muszą radzić sobie z wymagającymi warunkami pracy, ponieważ wysoka temperatura zwiększa szybkość reakcji, ale jednocześnie może przyspieszać degradację materiałów. Z czasem powierzchnia elektrody może się zmieniać, a jej aktywność spadać. Lepsze poznanie zachodzących tam procesów może więc pomóc nie tylko zwiększyć wydajność, ale również wydłużyć żywotność urządzeń. Podobna strategia powinna się też sprawdzić w innych technologiach energetycznych. Dokładne poznanie reakcji zachodzących na powierzchniach elektrod jest jednym z kluczowych problemów w rozwoju urządzeń służących do produkcji wodoru, magazynowania energii czy konwersji paliw.
Źródło: Energy&Environmental Science
