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

Stel je een wereld voor waarin de lucht die we inademen schoon is, en de energie die onze steden voedt niet afkomstig is van het verbranden van oude fossielen, maar van een eenvoudig, schoon element: waterstof. Waterstof is als een supergeladen batterij die, wanneer deze wordt gebruikt, alleen water achterlaat als bijproduct. Om deze waterstof om te zetten in elektriciteit, gebruiken wetenschappers speciale machines die brandstofcellen worden genoemd. Denk aan een brandstofcel als een kleine, hoogtechnologische elektriciteitscentrale die geen bewegende delen heeft zoals een automotor; in plaats daarvan gebruikt het chemie om energie op te wekken.

Echter, om deze machines efficiënt te laten werken, hebben ze een zeer speciale "brug" nodig binnenin, een elektrolyt genoemd. Deze brug heeft een lastige taak: hij moet minuscule geladen deeltjes (protonen) door zich heen laten snellen om elektriciteit te creëren, maar hij moet elektronen en gassen strikt blokkeren, anders ontstaat er kortsluiting in het hele systeem. Lange tijd waren de beste bruggen gemaakt van materialen die extreem hoge temperaturen vereisten om te functioneren, wat ze duur en kwetsbaar maakte. Wetenschappers hebben gezocht naar een nieuw soort brugmateriaal dat goed werkt bij lagere temperaturen, gemaakt is van veelvoorkomende elementen (niet zeldzaam en duur) en niet gemakkelijk uit elkaar valt. Dit is het verhaal van een nieuwe poging om die perfecte brug te bouren.

---

De High-Entropy Keuken: Het Mengen van het Perfecte Recept

In dit onderzoek besloten onderzoekers een nieuwe kookmethode voor materialen te proberen. In plaats van slechts één of twee ingrediënten te gebruiken voor hun elektrolytische brug, besloten ze een "high-entropy" soep te maken. Stel je voor dat je een cake bakt. Normaal gesproken gebruik je misschien alleen bloem en suiker. Maar wat als je tegelijkertijd vijf verschillende soorten bloem, vijf verschillende soorten suiker en vijf verschillende kruiden zou toevoegen? In de wereld van atomen wordt deze chaotische mix "high entropy" genoemd. Het idee is dat door zoveel verschillende soorten atomen samen in een enkele kristalstructuur te mengen, het materiaal ongelooflijk stabiel wordt en unieke superkrachten krijgt die een simpel recept niet zou kunnen bereiken.

Het team creëerde drie verschillende versies van deze "atomaire soep" met behulp van een speciale techniek genaamd High-Pressure Torsion (HPT). Denk aan HPT als een gigantische, industriële blender die poeders samenpers en draait met de kracht van duizend olifanten, waardoor de atomen zo fijn mengen dat ze één uniforme substantie worden. Vervolgens bakten ze deze mengsels om drie nieuwe soorten perovskietkristallen te creëren (een specifieke vorm die atomen graag aannemen).

De drie recepten die ze testten waren:

1. De Titanium-Zirkonium-Hafnium Mix: Een blend van drie metalen die lege elektronenschelven hebben (zoals lege parkeerplaatsen).
2. De Gallium-Indium-Tin Mix: Een blend van drie metalen met volle elektronenschelven (zoals parkeerplaatsen die volledig vol staan met auto's).
3. De Titanium-Zirkonium-Tin Mix: Een "gemengde" blend die zowel lege als volle elektronenschelven bevat.

De Race: Wie Maakt de Beste Brug?

De onderzoekers bouwden kleine brandstofcellen met behulp van deze drie nieuwe materialen als de centrale brug (de elektrolyt). Ze bevestigden een "brandstof"-zijde (anode) en een "lucht"-zijde (kathode) en testten hoe goed elke cel waterstof in elektriciteit kon omzetten.

De resultaten waren duidelijk, en één recept bleek de kampioen te zijn.

De Winnaar: De brandstofcel met het gemengde recept (bevatend Titanium, Zirkonium en Tin) was de duidelijke winnaar. Het produceerde een maximale vermogensdichtheid van 0,53 W.cm-2 bij een temperatuur van 973 K. Dit betekent dat het meer elektriciteit genereerde dan de andere twee versies.

De Verliezers:

• De brandstofcel met de "alleen-lege-schelven"-mix (Titanium, Zirkonium, Hafnium) presteerde redelijk en bereikte 0,42 W.cm-2, maar was niet zo goed als de winnaar.
• De brandstofcel met de "alleen-volle-schelven"-mix (Gallium, Indium, Tin) presteerde aanzienlijk minder goed. Deze bereikte slechts 0,06 W.cm-2. De onderzoekers ontdekten dat dit materiaal moeilijk goed te bakken was; het ontwikkelde gaatjes en holtes (zoals een spons met te veel luchtzakken) tijdens het verhittingsproces, wat het vermogen om als een solide brug te fungeren, ruïneerde.

Waarom Won het Gemengde Recept?

De onderzoekers gebruikten krachtige microscopen en röntgeninstrumenten om in het winnende materiaal te kijken en te ontdekken waarom het zo goed was. Ze vonden een paar belangrijke redenen:

1. Het "Cocktail-effect" van Elektronen: Het winnende materiaal had een mix van atomen met lege elektronenschelven en atomen met volle elektronensschelven. De wetenschappers suggereren dat dit een soort "elektronische verkeersopstopping" voor elektronen creëert. Omdat de elektronen niet gemakkelijk van het ene type atoom naar het andere kunnen springen, raken ze vast. Dit is eigenlijk een goed ding voor een elektrolyt! Het voorkomt dat de elektriciteit door de brug lekt waar het niet hoort te gaan, waardoor de protonen het werk moeten doen.
2. De Perfecte Rek: De atomen in het winnende materiaal waren precies goed uit elkaar geplaatst. De afstand tussen de metaalatomen en de zuurstofatomen was geoptimaliseerd om protonen (de waterstofionen) snel te laten bewegen. Het is als een gang die net breed genoeg is zodat mensen erdoorheen kunnen rennen zonder tegen elkaar op te botsen.
3. Kleine Gaten (Vacatures): Het materiaal had kleine, opzettelijke openingen in de structuur die vacuüms of "vacatures" worden genoemd. Deze fungeren als stapstenen, die helpen om protonen van de ene naar de andere kant van de brug te laten springen. De onderzoekers merkten op dat deze gaten werden gecreëerd door hun speciale mengproces, en niet door extra chemicaliën toe te voegen.

Het Eindoordeel

De studie suggereert dat dit nieuwe "high-entropy" gemengde materiaal een zeer veelbelovende kandidaat is voor de volgende generatie brandstofcellen. Het is gemaakt zonder gebruik te maken van zeldzame aardmetalen (die duur en moeilijk verkrijgbaar zijn), en het werkt goed bij gemiddelde temperaturen.

De onderzoekers merken echter voorzichtig op dat hoewel de prestaties uitstekend zijn, het materiaal nog steeds groeipijnen heeft. Toen ze de winnende cel gedurende 40 uur testten, daalde de prestatie langzaam. Ze vermoeden dat dit kan komen door het slijten van de elektroden of door de reactie van de materialen met elkaar in de loop van de tijd, in plaats van dat de brug zelf kapot gaat. Ze merkten ook op dat de brandstofcel met de "alleen-volle-schelven"-mix een mislukking was omdat deze niet dicht genoeg gemaakt kon worden.

Kortom, dit artikel suggereert dat door verschillende soorten atomen op een chaotische maar gecontroleerde manier te mengen, we nieuwe materialen kunnen creëren die beter geleiding geven aan de schone energie van de toekomst. Het gemengde s0/d0/d10 kation-recept (het recept met Titanium, Zirkonium en Tin) ziet eruit als de meest veelbelovende weg voorwaarts, maar wetenschappers moeten nog uitzoeken hoe ze het langer houdbaar kunnen maken onder reële omstandigheden.