Die Entwicklung neuer, effizienterer elektrochemischer Zellen könnte eine gute Option für die kohlenstofffreie Wasserstoff- und Chemikalienproduktion sowie die großtechnische Stromerzeugung und -speicherung darstellen.
Aber zuerst müssen die Wissenschaftler mehrere Herausforderungen bewältigen, einschließlich der Frage, wie die Zellen effizienter und kostengünstiger gemacht werden können.
Kürzlich verwendete ein vom Idaho National Laboratory geleitetes Forschungsteam einen einfachen Prozess, um Materialien fester in protonischen elektrochemischen Keramikzellen, auch als PCECs bekannt, zu binden, und löste damit ein Rätsel, das die Leistung der Technologie eingeschränkt hatte. Die Ergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe von veröffentlicht Natur. Dies ist die erste INL-geführte Forschungsarbeit, die seit fast 30 Jahren in dieser Zeitschrift veröffentlicht wird.
Dem Team gehörten Forscher des Massachusetts Institute of Technology, der New Mexico State University und der University of Nebraska-Lincoln an.
So wie wiederaufladbare Batterien Chemie verwenden, um Strom für die spätere Verwendung zu speichern, können PCECs überschüssigen Strom und Wasser in Wasserstoff umwandeln. PCECs können auch umgekehrt arbeiten und Wasserstoff in Strom umwandeln. Die Technologie verwendet kristalline Materialien namens Perowskite, die kostengünstig sind und in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden können.
Forscher in den USA entwickeln die elektrochemischen Zellen hauptsächlich für die Wasserstofferzeugung, aber auch für mehrere andere Anwendungen. Der von diesen Zellen produzierte Wasserstoff kann auch als Brennstoff für Wärme, Fahrzeuge, chemische Produktion oder andere Anwendungen verwendet werden.
Theoretisch sollten PCECs in einem größeren Temperaturbereich effizienter arbeiten als ähnliche Arten von elektrochemischen Zellen. Aber bisher konnten Forscher das theoretische Potenzial der Technologie nicht ausschöpfen.
„PCECs sollten aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und der damit verbundenen geringen Aktivierungsenergie gut funktionieren“, sagte Dong Ding, ein angesehener Ingenieur/Wissenschaftler am INL. „Dennoch haben wir festgestellt, dass ihre derzeitige Leistung niedriger ist als erwartet, und unser Team bei INL hat sich seit 2017 dem Verständnis der Gründe verschrieben.“
Das Team machte sich daran, das Rätsel zu lösen, indem es maß, wie gut Protonen (positiv geladene Wasserstoffatome) über die Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche flossen. Sicher genug, die Schnittstelle war das Problem. Insbesondere vermutete Wei Wu, ein Forscher für Materialtechnik am INL, dass die Elektrode und der Elektrolyt nicht fest genug verbunden waren.
Ding und seine Kollegen verwendeten eine einfache Säurebehandlung, um die Elektrode an den Elektrolyten zu binden, was eine effizientere Energieübertragung ermöglichte. „Die einfache Säurebehandlung kann die Oberfläche des PCEC verjüngen, um ihm zu helfen, maximale Leistung zu erzielen“, sagte Wenjuan Bian, ein Postdoktorand und Hauptverantwortlicher für dieses Projekt. „Dieser Ansatz lässt sich leicht skalieren und für die Fertigung großer Zellen und Stacks integrieren.“
Bei näherer Untersuchung stellten die Forscher fest, dass die Säurebehandlung die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt vergrößerte – die Oberfläche wurde ähnlich aufgeraut, wie ein Töpfer den feuchten Ton einer Tasse aufraute, bevor er den Griff anbrachte.
Die vergrößerte Oberfläche bewirkte eine engere Bindung zwischen Elektrode und Elektrolyt, was einen effizienteren Fluss von Wasserstoffatomen ermöglichte. Zusätzlich verbesserte sich die Zellstabilität deutlich, insbesondere unter bestimmten Extrembedingungen.
Dieser Prozess könnte die Türen für zahlreiche „saubere und grüne Wasserstoff“-Anwendungen öffnen, sagte Wu.
„Das leistungsstarke PCEC ermöglicht es uns, die Betriebstemperatur auf 350 °C zu senken“, sagte Ding. „Die reduzierte Betriebstemperatur ermöglicht billigere Materialien für die großtechnische Montage, einschließlich des Stacks. Noch wichtiger ist, dass die Technologie im selben Temperaturbereich arbeitet wie mehrere wichtige, aktuelle industrielle Prozesse, einschließlich der Ammoniakproduktion und der CO2-Reduktion. Die Anpassung dieser Temperaturen wird die Technologie in der bestehenden Industrie. Tatsächlich beschleunigen wir die Skalierung dieser Zellen bei INL, indem wir diese Technologie in unsere Herstellungsprozesse integrieren.“
Wenjuan Bian et al, Revitalisierende Grenzfläche in protonischen Keramikzellen durch Säureätzung, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04457-y