Japonai išsprendė didžiausią vandenilio revoliucijos problemą. Reikėjo tik vieno elemento ()
Darbinės temperatūros sumažinimas iki 300 °C drastiškai sumažintų medžiagų kainą ir atvertų kelią sistemoms, skirtoms vartotojų rinkai.
© geralt (Free Pixabay license) | https://pixabay.com/illustrations/chemistry-molecules-hydrogen-7116732/
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Vandenilis jau seniai minimas kaip galimas iškastinio kuro pakaitalas, tačiau jo panaudojimo technologijos iki šiol palikdavo daug neatsakytų klausimų. Pagrindinė kliūtis buvo itin sudėtingos darbo sąlygos – juk 700–800 °C temperatūra reikalauja brangių medžiagų ir sudėtingų sistemų, todėl praktiškai neįmanoma plačiau taikyti tokios technologijos. Atrodo, kad Japonijos mokslininkams pavyko rasti būdą apeiti šią problemą. Jų naujausias pasiekimas gali smarkiai sumažinti kaštus ir supaprastinti visą technologiją.
Revoliucija kietojo oksido kuro elementuose
Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) jau daugelį metų žavi specialistus dėl itin didelio efektyvumo tiesiogiai konvertuojant vandenilį į elektros energiją. Vis dėlto pagrindinė problema visada buvo minėtos aukštos darbinės temperatūros, kurios labai didino gamybos ir eksploatacijos kaštus. Kiūšiū universiteto komanda sukūrė naują keramikinių medžiagų klasę, kardinaliai keičiančią šiuos parametrus. Mokslininkai susitelkė į perovskitinius oksidus – bario alavato ir bario titanato junginius – kuriuos stipriai modifikavo, įterpdami rekordiškai didelius skandžio kiekius. Šis elementas esmingai pakeičia medžiagos laidumo savybes.
|
„Darbinės temperatūros sumažinimas iki 300 °C drastiškai sumažintų medžiagų kainą ir atvertų kelią sistemoms, skirtoms vartotojų rinkai“, – aiškina Yoshihiro Yamazaki.
Iki šiol jokia keraminė medžiaga nesugebėjo užtikrinti pakankamo protonų laidumo tokiose palyginti žemose temperatūrose. Pagrindinis iššūkis buvo tuo pačiu metu padidinti krūvio nešiklių kiekį ir suteikti jiems pakankamai judėjimo laisvės kristalinėje struktūroje.
Naujojo elektrolito veikimo mechanizmas
Naujų medžiagų veikimą galima palyginti su atskirų protonų judėjimo kelių sukūrimu. Skandžio atomai kristalinėje struktūroje formuoja vadinamąsias „ScO₆ magistrales“ – tvarkingas trajektorijas, leidžiančias protonams laisvai judėti. Rezultatai įspūdingi. Medžiaga, pažymėta BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃–δ, pasiekė protoninį laidumą, viršijantį 0,01 S/cm esant 300 °C temperatūrai. Tai vertė, palyginama su dabar naudojamais elektrolitais, kurie reikalauja 600–700 °C. Padidinus skandžio kiekį nuo 20 % iki 70 %, laidumas išaugo dešimt kartų.
„Cheminių priemaišų pridėjimas gali padidinti judrių protonų kiekį elektrolite, tačiau dažniausiai jos užkemša kristalinį tinklą ir sulėtina protonus. Mes ieškojome oksidinių kristalų, kurie galėtų talpinti daug protonų ir leisti jiems laisvai judėti – pusiausvyros, kurią mūsų naujas tyrimas pagaliau pasiekė“, – pabrėžia Yamazaki.
Lemiamą vaidmenį suvaidino kristalinio tinklo elastingumas. Bario alavato ir bario titanato junginiai pasižymi didesniu vidiniu plastiškumu nei įprastos SOFC medžiagos. Dėl šios savybės į struktūrą galima įterpti gerokai daugiau skandžio, nei manyta anksčiau. Kompiuterinės simuliacijos parodė, kad protonai juda išilgai ScO₆ oktaedrų labai žema energijos barjeru, išvengdami problemų, būdingų ankstesnėms medžiagoms.
Patvarumas ir galimos taikymo sritys
Vien tik efektyvumo nepakanka – svarbus ir naujų sprendimų patvarumas. Mokslininkai išbandė elektrolitus ekstremaliomis sąlygomis: juos veikė anglies dioksido koncentracija, 2450 kartų viršijanti įprastą atmosferos lygį, ir 300 °C temperatūra. Medžiaga išlaikė stabilumą, o duomenų ekstrapoliacija rodo, kad tokios sąlygos prilygsta daugiau nei šimtmečiui įprasto atmosferos poveikio. Tai gera žinia komercinėms technologijoms. Šis sprendimas gali būti panaudotas ir kitose srityse – žemos temperatūros elektrolizeriuose vandenilio gamybai, vandenilio pompose ar reaktoriuose, kurie paverčia anglies dioksidą vertingais cheminiais junginiais.
Vis dėlto reikėtų nepamiršti vandenilio technologijų apribojimų. Standartinės kuro elementų sistemos pasiekia apie 40 % efektyvumą, tuo tarpu ličio jonų akumuliatoriai viršija 80 %. Dėl to vandenilis labiausiai tinka specialiosioms reikmėms, kur svarbiausi yra energijos tankis ir greitas papildymas. Darbinės temperatūros sumažinimas iki 300 °C – tai svarbus žingsnis siekiant platesnio vandenilio energijos naudojimo. Pigiau gaminamos medžiagos, paprastesnės sistemos ir mažesni eksploatacijos kaštai atveria visiškai naują ekonominę perspektyvą.
