Jak protony przemieszczają się przez ogniwo paliwowe

Wodór jest postrzegany jako energetyczne źródło przyszłości. Jest wytwarzany przy udziale energii słonecznej i może być wykorzystywany do generowania ciepła i elektryczności w ogniwach paliwowych. Naukowcy EMPA w Szwajcarii odnieśli sukces w określeniu sposobu, w jaki jony wodorowe poruszają się w kryształach, co stanowi kluczowy krok w kierunku bardziej wydajnego przekształcania energii w przemyśle wodorowym przyszłości.

Jako nośniki ładunku elektrony i jony odgrywają wiodącą rolę w elektryczno-chemicznych akumulatorach i przetwornicach, takich jak baterie czy ogniwa paliwowe. Przewodnictwo protonowe jest podstawowym elementem tych drugich, ponieważ protony, czyli pozytywnie naładowane jony wodorowe, powstają z wodoru, który jest używany do zasilania ogniw paliwowych.

Fizyk EMPA Artur Braun i Qianli Chen – doktorant na ETH w Zurychu, przeprowadzili w szwajcarskim Federalnym Instytucie Paula Scherrera eksperymenty polegające na rozszczepieniu neutronu, które udokumentowały ruch protonów w sieci kryształu. Zaobserwowali oni, że proces ten odbywa się według dużo bardziej złożonych praw niż przypuszczano. Mianowicie, jest to tzw. model polaronu, co naukowcy ci niedawno ogłosili w uznanym czasopiśmie Nature Communications.

Przez długi czas model ten rozwinięty przez rosyjskiego fizyka i zdobywcę Nagrody Nobla z 1933 roku Lwa Dawidowicza Landaua odnosił się tylko do elektronów. Opisywał on jak „przeciskają" się one przez kryształ, wymuszając tym samym zmiany pozycji atomów. Innymi słowy, polarony są falami ruchu, których rozprzestrzenianie może być opisane jako trajektoria ruchu cząsteczki w krysztale.

Przez długi czas model ten był filarem teorii fizyki i niekwestionowaną bazą dla stosowanych w kręgach eksperckich modeli obliczeniowych. Dla odmiany, istnienie polaronu wodorowego, w którym jony wodorowe „przeskakują" z jednej pozycji na drugą, było tylko opartą na domysłach tezą. Chociaż biolodzy używali go do wyjaśnienia wielu zjawisk metabolicznych, to fizycy nie uznawali „przeskakującego protonu" za obowiązujący model.

To się może jednak zmienić. W oparciu o swoje eksperymenty z użyciem kryształów tlenku baru i cyrkonu, Braun i Chen zdołali udowodnić istnienie polaronu protonowego. W stanie suchym grupy te nie wykazują zdolności przewodzenia. Jakkolwiek, po wystawieniu na atmosferę gazową, grupy OH tworzą wewnątrz strukturę kryształu. Uwolnione wówczas protony mogą przemieszczać się ruchem podobnym do fali i tlenki uzyskują zdolność przewodzenia.

Ciepło i wysokie ciśnienie dostarczają dowodów.
Braun i Chen znaleźli dowód istnienia tego polaronu w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury sięgającej 600 stopni Celsjusza.

Rezultaty były następujące: w zakresie temperatur 220-520 przewodność wzrastała dokładnie do takiego stopnia jak przewidywały modelowe obliczenia dla wibracji sieci kryształu. Jednak gdy próbkę wystawiono na działanie wysokiego ciśnienia, to przewodność spadała. Wyjaśnić to można w ten sposób, że protony są początkowo związane w sieci i zaczynają „przeskakiwać" z jednej grupy OH na drugą na skutek jej drgań spowodowanych ogrzaniem. Po podwyższeniu ciśnienia protony mają mniejszą przestrzeń dla swoich ruchów, stąd spadek przewodności. Dowodzi to, że model polaronu odnosi się zarówno do elektronów, jak i do protonów, a może także i do innych jonów, np. jonów litu jak spekuluje Braun.

Odkrycia badaczy EMPA mogą wkrótce dostarczyć istotnych informacji dla procesu wyboru materiału dla budowy ogniw paliwowych i systemów przechowywania wodoru, a w ten sposób wpłyną znacząco na dostawy energii w przyszłości. Co więcej, zachowanie ceramicznych izolatorów również może być mierzone bardziej wydajnie. Czy wciąż dobrze działają w wysokiej temperaturze i w wilgotnej atmosferze? Dzięki projektowi Brauna i Chena, który był ufundowany przez Swiss National Science Foundation, pewne zagadki nauki o materiałach mogą zatem zostać rozwiązane.

(kb)