Materiály pro zpracování vodíku pod lupou

Vodík je udržitelný nosič energie. „Zelený“, tedy s pomocí obnovitelné energie vyráběný vodík může být využit jako zásobník energie a palivo. K tomu, aby byla jeho výroba a využití efektivnější, trvanlivější a méně nákladné, jsou zapotřebí nové materiály. Membrány, které jsou používány v palivových článcích a elektrolyzérech, jsou výrazně odpovědné za to, jak efektivně tato zařízení fungují. Tyto membrány jsou často vyráběny ze speciálních keramických materiálů.

Jak přesně souvisí chování vodíkových iontů – protonů – ve keramických membránách se strukturou materiálu, zatím není plně pochopeno. V projektu financovaném Švýcarským národním fondem (SNF) chtějí výzkumníci z Empy pod vedením Artura Brauna, vedoucího skupiny v laboratoři pro vysoce výkonné keramiky, společně s mezinárodními výzkumnými partnery tuto otázku prozkoumat.

Braun a jeho tým se již 20 let zabývají keramickými protonovými vodiči. Dobré protonové vodiče musí splňovat především dvě požadavky: musí být schopny přijmout co nejvíce protonů, a protony by se měly v materiálu pohybovat co nejvolněji. Tyto dvě vlastnosti však stojí v rozporu: optimalizace jedné obvykle zhoršuje druhou.

Neprůchodný terén místo volné jízdy

„Keramickou membránu si lze představit jako krajinu protkanou silnicemi. Protony se pohybují po těchto silnicích jako auta,“ srovnává Braun. Čím více aut je na silnicích, tím více doprava vázne. „Víceproudá protonová dálnice, po které náboje volně proudí oběma směry, je zbožným přáním,“ rozvádí dále Braun. Nicméně, současné protonové membrány spíše připomínají nevýrazný terén, ve kterém se protony namáhavě prodírají po úzkých cestách.

Na rozdíl od nám známých krajin jsou krystalové mřížky keramických membrán dynamické – tedy proměnlivé. V předchozí práci Braunův tým dokázal, že protonová vodivost v dobře vedoucích keramických materiálech není vždy stejná, ale někdy klesá a někdy dosahuje vrcholových hodnot. „Je to, jako by se hory a údolí náhle vyrovnaly. Protony tak dostávají na krátký okamžik volnou jízdu,“ vysvětluje Braun. Empa tým rovněž ukázal, že protonový transport v keramických vodičích je úzce svázán s vibracemi krystalové mřížky – a že protony v mřížce zabudované mohou tyto vibrace samy změnit.

Odpovědí je krystalová mřížka

Aby výzkumníci lépe pochopili tento efekt, nezabývají se v současném projektu dobrým protonovým vodičem, ale spíše špatným. Lanthan-cer-oxid (LCO) sice může hodně protonů přijímat, ale nevede je dál. „Pokud je špatný protonový vodič přirovnán ke zpomalení, u LCO dochází k doopravdy katastrofální dopravní zácpě,“ říká Braun.

Tato zdánlivá nevýhoda však nabízí výzkumníkům jedinečnou příležitost zkoumat dopady struktury materiálu na protonovou vodivost. Vedle vysoce přesného krystalografického objasňování struktury pomocí neutronů na Paul Scherrer Institutu (PSI) tým využívá nové metody ve velkých výzkumných zařízeních v USA a Japonsku, aby přesně změřil vibrace krystalové mřížky a experimentálně prověřil teoretické modely. „Pokud porozumíme vědeckým základům protonové vodivosti, můžeme v ideálním případě říci, jak by mohly být budoucí keramické materiály zlepšeny pro lepší protonové vodiče, a tím umožnit efektivnější membrány pro palivové články a elektrolyzéry,“ vysvětluje fyzik.

Kontakt:
Dr. Artur Braun
Vysoce výkonná keramika
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch

Poznámka redakce: Autorská práva k obrázku náleží príslušnému vydavateli.