ในการวิจัยที่สามารถเริ่มต้นการทำงานอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม นักวิจัยของ MIT ได้ค้นพบวิธีที่ค่อนข้างง่ายในการเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์เหล่านี้ นั่นคือการเปลี่ยนค่า pH ของระบบ
เซลล์เชื้อเพลิงและอิเล็กโทรลิซิสที่ทำจากวัสดุที่เรียกว่าออกไซด์ของโลหะแข็งเป็นที่สนใจด้วยเหตุผลหลายประการ ตัวอย่างเช่น ในโหมดอิเล็กโทรลิซิส มีประสิทธิภาพมากในการแปลงไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นเชื้อเพลิงที่เก็บไว้ได้ เช่น ไฮโดรเจนหรือมีเทน ที่สามารถใช้ในโหมดเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในเวลาที่ดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสงหรือมีลม ไม่ได้เป่า พวกเขายังสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้โลหะราคาแพงเช่นแพลตตินั่ม อย่างไรก็ตาม ความอยู่รอดในเชิงพาณิชย์ของพวกเขาถูกขัดขวาง ส่วนหนึ่งเป็นเพราะพวกมันเสื่อมโทรมลงเมื่อเวลาผ่านไป อะตอมของโลหะที่ไหลออกมาจากส่วนเชื่อมต่อระหว่างกันที่ใช้สร้างธนาคารเซลล์เชื้อเพลิง/อิเล็กโทรไลซิสจะค่อยๆ เป็นพิษต่ออุปกรณ์
“สิ่งที่เราสามารถแสดงให้เห็นได้ก็คือ เราไม่เพียงแต่สามารถย้อนกลับการย่อยสลายนั้นได้ แต่ยังเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่าค่าเริ่มต้นได้ด้วยการควบคุมความเป็นกรดของอินเทอร์เฟซของแอร์อิเล็กโทรด” Harry L. Tuller ศาสตราจารย์ RP Simmons กล่าว ของเซรามิกส์และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ในภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ของ MIT (DMSE)
การวิจัยซึ่งได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐในขั้นต้นผ่านห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติของสำนักงานพลังงานฟอสซิลและการจัดการคาร์บอน (FECM) จะช่วยให้แผนกบรรลุเป้าหมายในการลดอัตราการย่อยสลายของเซลล์เชื้อเพลิงแข็งออกไซด์ลงอย่างมากภายในปี 2578 ถึง 2593 .
“การยืดอายุเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ช่วยให้สามารถผลิตไฮโดรเจนและการผลิตพลังงานที่มีต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งจำเป็นสำหรับอนาคตของพลังงานสะอาด” Robert Schrecengost รักษาการผู้อำนวยการกองไฮโดรเจนที่มีการจัดการคาร์บอนของ FECM กล่าว “แผนกนี้ขอชื่นชมความก้าวหน้าเหล่านี้ในการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ในเชิงพาณิชย์ให้สมบูรณ์ในที่สุด เพื่อให้เราสามารถจัดหาพลังงานที่สะอาดและเชื่อถือได้ให้กับคนอเมริกัน”
“ฉันทำงานในด้านนี้มาตลอดชีวิตการทำงาน และสิ่งที่ฉันเห็นมาจนถึงตอนนี้ส่วนใหญ่เป็นการปรับปรุงทีละส่วน” ทูลเลอร์ซึ่งเพิ่งได้รับการเสนอชื่อให้เป็นสมาชิกสมาคมวิจัยวัสดุ 2022สำหรับการทำงานที่ยาวนานในอาชีพการงานของเขา เคมีของรัฐและเคมีไฟฟ้า “โดยปกติผู้คนพอใจกับการเห็นการปรับปรุงโดยปัจจัยหลายสิบเปอร์เซ็นต์ ดังนั้น การได้เห็นการปรับปรุงที่ใหญ่ขึ้นจริง ๆ และที่สำคัญ การระบุแหล่งที่มาของปัญหาและวิธีการแก้ไข ปัญหาที่เราต้องดิ้นรนมาตลอดหลายทศวรรษจึงเป็นเรื่องที่น่าทึ่ง”
James M. LeBeau รองศาสตราจารย์ John Chipman ของ Materials Science and Engineering ที่ MIT ซึ่งมีส่วนเกี่ยวข้องในการวิจัยด้วยว่า “งานนี้มีความสำคัญเพราะสามารถเอาชนะข้อ จำกัด [บางส่วน] ที่ขัดขวางการใช้ของแข็งอย่างแพร่หลาย เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ นอกจากนี้ แนวคิดพื้นฐานยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุอื่น ๆ อีกมากมายที่ใช้สำหรับการใช้งานในด้านที่เกี่ยวข้องกับพลังงาน”
มีรายงานรายงานที่อธิบายการทำงานในวันที่ 11 ส.ค. ใน สาขาวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม ผู้เขียนบทความเพิ่มเติม ได้แก่ Han Gil Seo, postdoc DMSE; Anna Staerz เดิมคือ DMSE postdoc ปัจจุบันอยู่ที่ Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) ในเบลเยียม และในไม่ช้าก็จะเข้าร่วมคณะ Colorado School of Mines Dennis S. Kim, DMSE postdoc; Dino Klotz นักวิทยาศาสตร์เยี่ยมเยียน DMSE ตอนนี้อยู่ที่ Zurich Instruments; Michael Xu นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา DMSE; และ Clement Nicollet ซึ่งเดิมคือ DMSE postdoc ปัจจุบันอยู่ที่ Université de Nantes Seo และ Staerz มีส่วนร่วมในการทำงานอย่างเท่าเทียมกัน
เปลี่ยนความเป็นกรด
เซลล์เชื้อเพลิง/อิเล็กโทรไลซิสมีสามส่วนหลัก: อิเล็กโทรดสองขั้ว (แคโทดและแอโนด) คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์ ในโหมดอิเล็กโทรลิซิส ไฟฟ้าจากลม สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่เก็บไว้ได้ เช่น มีเทนหรือไฮโดรเจน ในทางกลับกัน ในปฏิกิริยาเซลล์เชื้อเพลิงย้อนกลับ เชื้อเพลิงที่เก็บไว้นั้นสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อลมไม่พัด
เซลล์เชื้อเพลิง/อิเล็กโทรไลซิสที่ใช้งานได้ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ที่ซ้อนกันและเชื่อมต่อกันด้วยส่วนเชื่อมต่อระหว่างโลหะที่เป็นโลหะซึ่งมีองค์ประกอบโครเมียมเพื่อป้องกันไม่ให้โลหะออกซิไดซ์ แต่ “ปรากฎว่าที่อุณหภูมิสูงที่เซลล์เหล่านี้ทำงาน โครเมียมบางส่วนนั้นระเหยและย้ายไปยังส่วนติดต่อระหว่างแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดพิษต่อปฏิกิริยาการรวมตัวของออกซิเจน” Tuller กล่าว หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง ประสิทธิภาพของเซลล์ลดลงจนถึงจุดที่ไม่คุ้มกับการดำเนินการอีกต่อไป
“ดังนั้น หากคุณสามารถยืดอายุเซลล์เชื้อเพลิง/อิเล็กโทรไลซิสได้โดยการชะลอกระบวนการนี้ หรือย้อนกลับในอุดมคติ คุณก็จะสามารถดำเนินการให้เป็นประโยชน์ได้อย่างมาก” Tuller กล่าว
ทีมงานแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถทำทั้งสองอย่างได้โดยการควบคุมความเป็นกรดของพื้นผิวแคโทด พวกเขายังอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น
เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ ทีมงานเคลือบแคโทดเซลล์เชื้อเพลิง/อิเล็กโทรไลซิสด้วยลิเธียมออกไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่เปลี่ยนความเป็นกรดสัมพัทธ์ของพื้นผิวจากการเป็นกรดให้เป็นเบสที่มากขึ้น “หลังจากเพิ่มลิเธียมจำนวนเล็กน้อย เราก็สามารถฟื้นฟูประสิทธิภาพเริ่มต้นของเซลล์ที่เป็นพิษได้” Tuller กล่าว เมื่อวิศวกรเพิ่มลิเธียมให้มากขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานก็ดีขึ้นมากเกินกว่าค่าเริ่มต้น “เราเห็นการปรับปรุงของลำดับความสำคัญสามถึงสี่ในอัตราการเกิดปฏิกิริยาการลดออกซิเจนที่สำคัญและแอตทริบิวต์การเปลี่ยนแปลงที่จะเติมพื้นผิวของอิเล็กโทรดด้วยอิเล็กตรอนที่จำเป็นในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาการรวมตัวของออกซิเจน”
วิศวกรอธิบายต่อไปว่าเกิดอะไรขึ้นโดยการสังเกตวัสดุที่ระดับนาโนหรือหนึ่งในพันล้านของเมตรด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านล้ำสมัยและสเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน “เราสนใจที่จะทำความเข้าใจเกี่ยวกับการกระจายตัวของสารเคมีต่างๆ [โครเมียมและลิเธียมออกไซด์] บนพื้นผิว” LeBeau กล่าว
พวกเขาพบว่าลิเธียมออกไซด์สามารถละลายโครเมียมได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างวัสดุที่เป็นแก้วซึ่งไม่ทำหน้าที่ลดประสิทธิภาพของแคโทดอีกต่อไป
แอปพลิเคชันสำหรับเซ็นเซอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา และอื่นๆ
เทคโนโลยีหลายอย่างเช่นเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับความสามารถของของแข็งออกไซด์ในการหายใจออกซิเจนเข้าและออกจากโครงสร้างผลึกอย่างรวดเร็ว Tuller กล่าว งานของ MIT แสดงให้เห็นถึงวิธีการฟื้นฟูและเร่งความเร็วความสามารถนั้นโดยการเปลี่ยนความเป็นกรดของพื้นผิว ด้วยเหตุนี้ วิศวกรจึงมองโลกในแง่ดีว่างานดังกล่าวสามารถนำไปใช้กับเทคโนโลยีอื่นๆ ได้ เช่น เซ็นเซอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา และเครื่องปฏิกรณ์ที่อาศัยการซึมผ่านของออกซิเจน
ทีมงานยังสำรวจผลกระทบของความเป็นกรดต่อระบบที่เป็นพิษจากองค์ประกอบต่างๆ เช่น ซิลิกา
ทูลเลอร์สรุปว่า “ตามปกติแล้วในทางวิทยาศาสตร์ คุณบังเอิญไปเจอบางสิ่งและสังเกตเห็นแนวโน้มสำคัญที่ไม่เคยชื่นชมมาก่อน จากนั้นคุณทดสอบแนวคิดนั้นต่อไป และคุณพบว่ามันเป็นพื้นฐานที่สำคัญมากจริงๆ”
นอกจาก DOE แล้ว งานนี้ยังได้รับทุนจาก National Research Foundation of Korea, MIT Department of Materials Science and Engineering ผ่านการแต่งตั้งของ Tuller ให้เป็น RP Simmons Professor of Ceramics and Electronic Materials และ US Air Force Office of Scientific Research .
