Vätgas är en hållbar energibärare. "Grön", det vill säga med förnybar energi producerad vätgas, kan användas som energilagring och bränsle. För att dess produktion och användning ska bli effektivare, långvarigare och billigare krävs nya material. Så är membranerna som används i bränsleceller och elektrolysörer avgörande för hur effektiva enheterna fungerar. Sådana membraner tillverkas ofta av specialkeramiker.
Hur exakt beteendet hos vätejoner – protonerna – i keramikmembran är kopplat till deras materialstruktur är ännu inte fullt ut förstått. I ett projekt finansierat av Schweizerischer Nationalfonds (SNF) vill Empa-forskare under ledning av Artur Braun, gruppledare på laboratoriet för högpresterande keramik, tillsammans med internationella forskningspartners undersöka denna fråga.
Braun och hans team har ägnat sig åt keramiska protonledare i 20 år. Bra protonledare måste främst uppfylla två krav: De måste kunna ta upp så många protoner som möjligt, och protonerna bör kunna röra sig så fritt som möjligt i materialet. Dessa två egenskaper står dock i motsättning till varandra: Optimerar man den ena, försämras oftast den andra.
"Man kan föreställa sig keramikmembranet som ett landskap genomkorsat av vägar. Protonerna rör sig på dessa vägar som bilar", jämför Braun. Ju fler bilar som rör sig på vägarna, desto mer stockas trafiken. "En flerfilig protonmotorväg, där laddningarna ostört kan flöda åt båda hållen, är en önskedröm", förklarar han. De nuvarande vanliga protonmembranen liknar emellertid snarare ett svårframkomligt terräng där protonerna med besvär vandrar genom smala stigar.
Till skillnad från de landskap vi känner till är kristallgallren i keramikmembranen dynamiska – det vill säga föränderbara. I ett tidigare arbete kunde Brauns team visa att protonledningsförmågan i bra ledande keramiker inte alltid är konstant, utan ibland når invånare låga värden, men ibland når toppvärden. "Det är som om bergen och dalarna plötsligt jämnas ut. Protonerna får så att säga fritt fram för en kort stund", förklarar Braun. Empa-teamet kunde också visa att protontransport i keramiska ledare är tätt sammankopplad med gittervibrationer i kristallgallret – och att inbäddade protoner i gallret kan påverka dess vibrationer.
För att bättre förstå denna effekt inriktar sig forskarna i sitt aktuella projekt inte på en bra protonledare, utan snarare på en sämre. Lantan-ceroxid (LCO) kan visserligen ta upp många protoner, men leder dem inte vidare. "Om en dålig protonledare kan jämföras med en trafikstockning, så ligger det i LCO ett trafikstockningskaos", säger Braun.
Denna påstådda nackdel erbjuder forskarna en unik möjlighet att undersöka effekterna av materialstrukturen på protonledningsförmågan. Förutom högupplösande kristallografiska strukturundersökningar med neutroner på Paul Scherrer Institut (PSI) använder teamet nya metoder vid stora forskningsanläggningar i USA och Japan för att exakt mäta kristallgittervibrationerna och experimentellt verifiera de teoretiska modellerna. "Om vi förstår de vetenskapliga grunderna för protonledningsförmågan kan vi idealt säga hur framtida keramiker kan bli bättre protonledare, och därigenom möjliggöra effektivare membran för bränsleceller och elektrolysörer", förklarar fysikern.
Kontakt:
Dr Artur Braun
Högpresterande keramik
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch