High-entropy perovskites, architectured by s0/d0/d10 cations, as novel electrolytes for solid oxide fuel cells

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Luft, die wir atmen, sauber ist und die Energie, die unsere Städte antreibt, nicht durch das Verbrennen uralter Fossilien gewonnen wird, sondern aus einem einfachen, sauberen Element: Wasserstoff. Wasserstoff ist wie eine supergeladene Batterie, die bei der Nutzung lediglich Wasser als Nebenprodukt hinterlässt. Um diesen Wasserstoff in Elektrizität umzuwandeln, nutzen Wissenschaftler spezielle Maschinen namens Brennstoffzellen. Betrachten Sie eine Brennstoffzelle als ein winziges, hochmodernes Kraftwerk, das keine beweglichen Teile wie ein Automotor besitzt; stattdin nutzt es die Chemie, um Energie zu erzeugen.

Damit diese Maschinen jedoch effizient arbeiten, benötigen sie eine ganz besondere „Brücke“ im Inneren, die Elektrolyt genannt wird. Diese Brücke hat eine knifflige Aufgabe: Sie muss es winzigen geladenen Teilchen (Protonen) ermöglichen, zügig durch sie hindurchzuziehen, um Elektrizität zu erzeugen, muss aber gleichzeitig Elektronen und Gase strikt blockieren, da sonst das gesamte System einen Kurzschluss erleidet. Lange Zeit waren die besten Brücken aus Materialien gefertigt, die extrem hohe Temperaturen benötigten, um zu funktionieren, was sie teuer und zerbrechlich machte. Wissenschaftler haben nach einem neuen Arten von Brückenmaterial gesucht, das bei niedrigeren Temperaturen gut funktioniert, aus häufig vorkommenden Elementen besteht (nicht aus seltenen und teuren) und nicht so leicht zerfällt. Dies ist die Geschichte eines neuen Versuchs, diese perfekte Brücke zu bauen.

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Die High-Entropy-Küche: Das Mischen des perfekten Rezepts

In dieser Studie beschlossen Forscher, eine neue Methode für die Materialzubereitung auszuprobieren. Anstatt nur ein oder zwei Zutaten für ihre Elektrolyt-Brücke zu verwenden, entschieden sie sich, eine „High-Entropy“-Suppe zuzubereiten. Stellen Sie sich vor, Sie backen einen Kuchen. Normalenfalls verwenden Sie vielleicht nur Mehl und Zucker. Aber was wäre, wenn Sie gleichzeitig fünf verschiedene Arten von Mehl, fünf verschiedene Arten von Zucker und fünf verschiedene Gewürze hineinschmeißen würden? In der Welt der Atome wird dieses chaotische Gemisch als „hohe Entropie“ bezeichnet. Die Idee dahinter ist, dass das Material durch das Mischen so vieler verschiedener Arten von Atomen in einer einzigen Kristallstruktur unglaublich stabil wird und einzigartige Superkräfte gewinnt, die ein einfaches Rezept nicht erreichen könnte.

Das Team erstellte drei verschiedene Versionen dieser „atomaren Suppe“ mithilfe einer speziellen Technik namens High-Pressure Torsion (HPT). Betrachten Sie HPT als einen riesigen, industriellen Mixer, der Pulver mit der Kraft von tausend Elefanten zusammendrückt und verdreht, wodurch die Atome so fein vermischt werden, dass sie zu einer einheitlichen Substanz werden. Anschließend backten sie diese Mischungen, um drei neue Arten von Perowskit-Kristallen (eine spezifische Form, die Atome gerne annehmen) zu erzeugen.

Die drei getesteten Rezepte waren:

1. Die Titan-Zirkonium-Hafnium-Mischung: Eine Mischung aus drei Metallen, die leere Elektronenschalen besitzen (wie leere Parkplätze).
2. Die Gallium-Indium-Zinn-Mischung: Eine Mischung aus drei Metallen mit vollen Elektronenschalen (wie Parkplätze, die komplett mit Autos besetzt sind).
3. Die Titan-Zirkonium-Zinn-Mischung: Eine „gemischte“ Mischung, die sowohl leere als auch volle Elektronenschalen enthält.

Das Rennen: Wer baut die beste Brücke?

Die Forscher bauten winzige Brennstoffzellen unter Verwendung dieser drei neuen Materialien als zentrale Brücke (den Elektrolyten). Sie befestigten eine „Brennstoffseite“ (Anode) und eine „Luftseite“ (Kathode) und testeten, wie gut jede Zelle Wasserstoff in Elektrizität umwandeln konnte.

Die Ergebnisse waren eindeutig, und ein Rezept stach als Champion hervor.

Der Gewinner: Die Brennstoffzelle mit dem gemischten Rezept (enthaltend Titan, Zirkonium und Zinn) war der klare Sieger. Sie erzeugte eine maximale Leistungsdichte von 0,53 W.cm⁻² bei einer Temperatur von 973 K. Das bedeutet, sie erzeugte mehr Elektrizität als die anderen beiden Versionen.

Die Verlierer:

• Die Brennstoffzelle mit der „nur-leere-Schalen“-Mischung (Titan, Zirkonium, Hafnium) erbrachte eine ordentliche Leistung von 0,42 W.cm⁻², war aber nicht so gut wie der Gewinner.
• Die Brennstoffzelle mit der „nur-volle-Schalen“-Mischung (Gallium, Indium, Zinn) hatte erheblich zu kämpfen. Sie erreichte lediglich 0,06 W.cm⁻². Die Forscher fanden heraus, dass dieses Material schwierig richtig zu backen war; es entwickelte Löcher und Hohlräume (wie ein Schwamm mit zu vielen Lufttaschen) während des Erhitzungsprozesses, was seine Fähigkeit, als solide Brücke zu fungieren, ruinierte.

Warum gewann das gemischte Rezept?

Die Forscher nutzten leistungsstarke Mikroskope und Röntgenwerkzeuge, um in das Material des Gewinners hineinzuschauen und herauszufinden, warum es so gut war. Sie fanden einige Schlüsselfaktoren:

1. Der „Cocktail-Effekt“ der Elektronen: Das gewinnende Material besaß eine Mischung aus Atomen mit leeren Elektronenschalen und Atomen mit vollen Elektronenschalen. Die Wissenschaftler vermuten, dass dies eine Art „elektronischen Stau“ für Elektronen erzeugt. Da die Elektronen nicht leicht von einer Atomart zur anderen springen können, bleiben sie stecken. Das ist für einen Elektrolyten eigentlich eine gute Sache! Es verhindert, dass die Elektrizität durch die Brücke leckt, wo sie nicht hin soll, und zwingt die Protonen dazu, die Arbeit zu erleden.
2. Die perfekte Dehnung: Die Atome im gewinnenden Material waren genau richtig voneinander entfernt. Der Abstand zwischen den Metallatomen und den Sauerstoffatomen war optimiert, um Protonen (Wasserstoffionen) schnell wandern zu lassen. Es ist wie ein Flur, der gerade breit genug ist, damit Menschen hindurchlaufen können, ohne zusammenzustoßen.
3. Winzige Löcher (Vakanzen): Das Material besaß winzige, intentionale Lücken in seiner Struktur, sogenannte Sauerstoffvakanzen. Diese dienen als Trittsteine und helfen den Protonen, von einer Seite der Brücke zur anderen zu springen. Die Forscher merkten an, dass diese Lücken durch ihren speziellen Mischprozess entstanden sind und nicht durch das Hinzufügen zusätzlicher Chemikalien.

Das Urteil

Die Studie legt nahe, dass dieses neue „High-Entropy“-Material ein sehr vielversprechender Kandidat für die nächste Generation von Brennstoffzellen ist. Es wird ohne die Verwendung von Seltenen Erden (die teuer und schwer zu beschaffen sind) hergestellt und funktioniert gut bei mittleren Temperaturen.

Die Forscher weisen jedoch vorsichtig darauf hin, dass das Material trotz der exzellenten Leistung noch Wachstumsschmerzen hat. Als sie die Gewinnerzelle über 40 Stunden testeten, sank die Leistung langsam ab. Sie vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Elektroden verschleißen oder die Materialien über die Zeit miteinander reagieren, und nicht darauf, dass die Brücke selbst zerbricht. Sie stellten auch fest, dass die Brennstoffzelle mit der „nur-volle-Schalen“-Mischung ein Fehlschlag war, da sie nicht dicht genug hergestellt werden konnte.

Kurz gesagt deutet diese Arbeit darauf, dass wir durch das Mischen verschiedener Arten von Atomen auf eine chaotische, aber kontrollierte Weise neue Materialien erschaffen können, die besser darin sind, die saubere Energie der Zukunft zu leiten. Das gemischte s0/d0/d10-Kationen-Rezept (das mit Titan, Zirkonium und Zinn) sieht wie der vielversprechendste Weg nach vorne aus, aber Wissenschaftler müssen noch herausfinden, wie sie es unter realen Bedingungen langlebiger machen können.