Analizy i materiały zidentyfikowane przez inżynierów MIT mogą doprowadzić do stworzenia bardziej energooszczędnych ogniw paliwowych, elektrolizerów, baterii i urządzeń komputerowych.
Jak sama nazwa wskazuje, większość dzisiejszych urządzeń elektronicznych działa poprzez ruch elektronów. Jednak materiały, które mogą skutecznie przewodzić protony – jądro atomu wodoru – mogą być kluczowe dla wielu ważnych technologii walki ze zmianami klimatu na świecie.
Większość dostępnych obecnie materiałów nieorganicznych przewodzących protony wymaga niepożądanie wysokich temperatur, aby osiągnąć wystarczająco wysoką przewodność. Jednak alternatywy o niższej temperaturze mogłyby umożliwić szereg technologii, takich jak bardziej wydajne i trwałe ogniwa paliwowe do produkcji czystej energii elektrycznej z wodoru, elektrolizery do produkcji czystych paliw, takich jak wodór do transportu, baterie protonowe w stanie stałym, a nawet nowe rodzaje urządzeń komputerowych opartych na efektach jonoelektronicznych.
Aby przyspieszyć rozwój przewodników protonów, inżynierowie MIT zidentyfikowali pewne cechy materiałów, które powodują szybkie przewodzenie protonów. Wykorzystując te cechy ilościowo, zespół zidentyfikował pół tuzina nowych kandydatów, którzy są obiecującymi przewodnikami szybkich protonów. Symulacje sugerują, że ci kandydaci będą działać znacznie lepiej niż istniejące materiały, chociaż nadal muszą zostać dostosowani eksperymentalnie. Oprócz odkrywania potencjalnie nowych materiałów, badania zapewniają również głębsze zrozumienie na poziomie atomowym, jak takie materiały działają.
Nowe odkrycia opisano w czasopiśmie Nauki o Energii i Środowisku w artykule profesorów MIT Bilge Yildiz i Ju Li, postdoktorantów Pjotrs Zguns i Konstantin Klyukin oraz ich współpracowniczki Sossiny Haile i jej studentów z Northwestern University. Yildiz jest profesorem Breene M. Kerr na wydziałach Nuclear Science and Engineering oraz Materials Science and Engineering.
„Przewodniki protonów są potrzebne w zastosowaniach konwersji czystej energii, takich jak ogniwa paliwowe, w których wykorzystujemy wodór do produkcji energii elektrycznej wolnej od dwutlenku węgla” — wyjaśnia Yildiz. „Chcemy przeprowadzić ten proces wydajnie, dlatego potrzebujemy materiałów, które mogą transportować protony bardzo szybko przez takie urządzenia”.
Obecne metody produkcji wodoru, na przykład parowy reforming metanu, emitują duże ilości dwutlenku węgla. „Jednym ze sposobów na wyeliminowanie tego jest elektrochemiczna produkcja wodoru z pary wodnej, a to wymaga bardzo dobrych przewodników protonów” — mówi Yildiz. Produkcja innych ważnych chemikaliów przemysłowych i potencjalnych paliw, takich jak amoniak, może być również prowadzona za pomocą wydajnych systemów elektrochemicznych, które wymagają dobrych przewodników protonów.
Ale większość materiałów nieorganicznych, które przewodzą protony, może działać tylko w temperaturach od 200 do 600 stopni Celsjusza (około 450 do 1100 Fahrenheita), a nawet wyższych. Takie temperatury wymagają energii do utrzymania i mogą powodować degradację materiałów. „Przechodzenie do wyższych temperatur nie jest pożądane, ponieważ sprawia, że cały system staje się trudniejszy, a trwałość materiału staje się problemem” — mówi Yildiz. „Nie ma dobrego nieorganicznego przewodnika protonów w temperaturze pokojowej”. Obecnie jedynym znanym przewodnikiem protonów w temperaturze pokojowej jest materiał polimerowy, który nie jest praktyczny do zastosowań w urządzeniach komputerowych, ponieważ nie można go łatwo zmniejszyć do zakresu nanometrów — mówi.
Aby rozwiązać ten problem, zespół najpierw musiał rozwinąć podstawowe i ilościowe zrozumienie tego, jak dokładnie działa przewodzenie protonów, biorąc pod uwagę klasę nieorganicznych przewodników protonów, zwanych kwasami stałymi. „Najpierw trzeba zrozumieć, co rządzi przewodzeniem protonów w tych związkach nieorganicznych” — mówi. Podczas analizy konfiguracji atomowych materiałów naukowcy zidentyfikowali parę cech, które bezpośrednio odnoszą się do potencjału przenoszenia protonów przez materiały.
Jak wyjaśnia Yildiz, przewodzenie protonów najpierw obejmuje proton „przeskakujący z atomu tlenu donora do tlenu akceptora. Następnie środowisko musi się zreorganizować i zabrać zaakceptowany proton, aby mógł przeskoczyć do innego sąsiedniego akceptora, umożliwiając dalekosiężną dyfuzję protonów”. Ten proces zachodzi w wielu ciałach stałych nieorganicznych, mówi. Zrozumienie, jak działa ta ostatnia część — w jaki sposób sieć atomowa zostaje zreorganizowana, aby zabrać zaakceptowany proton z pierwotnego atomu donora — było kluczową częścią tych badań, mówi.
Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe do zbadania klasy materiałów zwanych kwasami stałymi, które stają się dobrymi przewodnikami protonów powyżej 200stopni Celsjusza. Ta klasa materiałów ma podstrukturę zwaną podsiecią grupy polianionów, a te grupy muszą się obracać i zabierać proton z jego pierwotnego miejsca, aby mógł zostać przeniesiony do innych miejsc. Naukowcy byli w stanie zidentyfikować fonony, które przyczyniają się do elastyczności tej podsieci, co jest niezbędne do przewodzenia protonów. Następnie wykorzystali te informacje do przeszukania ogromnych baz danych teoretycznie i eksperymentalnie możliwych związków w poszukiwaniu lepszych materiałów przewodzących protony.
W rezultacie odkryli stałe związki kwasowe, które są obiecującymi przewodnikami protonów i które zostały opracowane i wyprodukowane do różnych zastosowań, ale nigdy wcześniej nie były badane jako przewodniki protonów; okazało się, że związki te mają dokładnie odpowiednie cechy elastyczności sieci. Następnie zespół przeprowadził symulacje komputerowe, jak konkretne materiały, które zidentyfikowali w swoim wstępnym badaniu, będą się zachowywać w odpowiednich temperaturach, aby potwierdzić ich przydatność jako przewodników protonów do ogniw paliwowych lub innych zastosowań. Rzeczywiście, znaleźli sześć obiecujących materiałów, z przewidywanymi prędkościami przewodzenia protonów szybszymi niż najlepsze istniejące stałe kwasowe przewodniki protonów.
„Symulacje te są niepewne” – ostrzega Yildiz. „Nie chcę dokładnie mówić, o ile wyższa będzie przewodność, ale wyglądają bardzo obiecująco. Mam nadzieję, że zmotywuje to środowisko eksperymentalne do próby ich syntezy w różnych formach i wykorzystania tych związków jako przewodników protonów”.
Przełożenie tych teoretycznych odkryć na praktyczne urządzenia może zająć kilka lat, mówi. Prawdopodobne pierwsze zastosowania będą dotyczyć ogniw elektrochemicznych do produkcji paliw i surowców chemicznych, takich jak wodór i amoniak, mówi.
Artykuł: „Odkrywanie szybkich przewodników protonów w kwasach stałych w oparciu o dynamikę grup polianionowych i siłę wiązania protonów”
