Nanocząstki usprawniające pracę tlenkowych ogniw paliwowych

Celem projektu jest zrozumienie i opisanie zjawiska tworzenia się aktywnych katalitycznie nanocząstek na ziarnach materiałów anodowych do tlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) zasilanych ekopaliwami (np. bioetanol, biogaz, LPG). Ogniwa SOFC są urządzeniami zdolnymi do przekształcenia energii chemicznej dostarczanego paliwa oraz utleniacza bezpośrednio na energię elektryczną. Dzięki temu, że mogą funkcjonować praktycznie wszędzie, gdzie dostępne jest paliwo, doskonale wpisują się w koncepcję energetyki rozproszonej (opierającej się o małe jednostki produkcyjne dla użytku lokalnego i korzystającej ze źródeł odnawialnych). Niestety komercyjne ogniwa ze standardową anodą kompozytową (cermet Ni-YSZ) są zoptymalizowane do pracy z wodorem jako paliwem, zaś stosowanie paliw alternatywnych (np. ekopaliw) powoduje szereg problemów, np. osadzanie węgla i zatruwanie anody zanieczyszczeniami obecnymi w paliwie. Wobec tego konieczne jest poszukiwanie nowych materiałów anodowych, zdolnych do długotrwałej i stabilnej pracy w tych warunkach.

dr hab. inż. Beata Bochentyn, fot. Michał Łepecki Wśród materiałów intensywnie badanych w ostatnim czasie znaleźć można związki o tzw. krystalicznej strukturze perowskitu, tworzone na wzór minerałów zbudowanych z nieorganicznych związków chemicznych o ogólnym wzorze ABO3. Mimo że pod wieloma względami są atrakcyjnymi kandydatami na anody SOFC, to charakteryzują się niską aktywnością katalityczną względem procesu elektrochemicznego utleniania paliwa. W celu zwiększenia wydajności i szybkości tego procesu na powierzchni ziaren perowskitów można osadzać nanocząstki metali, np. niklu czy kobaltu. Jednakże nanoszenie nanocząstek „z zewnątrz” wiąże się z ograniczoną kontrolą ich rozmiaru i dystrybucji oraz skłonnością do aglomeracji, czyli łączenia się tych nanocząstek w wysokich temperaturach w większe struktury, co zmniejsza ich właściwości katalityczne. Z tego powodu coraz większym zainteresowaniem cieszy się otrzymywanie nanometrycznych wytrąceń in situ ze struktury perowskitu poprzez proces eksolucji, który zachodzi w warunkach redukujących i skutkuje powstawaniem równomiernie rozłożonych, małych struktur. Nanocząstki powstałe w ten sposób są silniej związane z podłożem oraz mniej podatne na aglomerację. Co więcej, możliwość tworzenia stopów wieloskładnikowych lub związków międzymetalicznych dodatkowo poprawia parametry materiałów, gdy stosuje się je jako anody w SOFC. Prezentują one wyższą aktywność katalityczną oraz odporność na osadzanie węgla i zatruwanie zanieczyszczeniami obecnymi w paliwie, np. związkami siarki.

dr hab. inż. Beata Bochentyn, fot. Michał Łepecki Interesującą metodą tworzenia wieloskładnikowych nanocząstek, badaną w niniejszym projekcie, jest otrzymywanie stopów za pomocą eksolucji z topotaktyczną wymianą jonów, podczas której wydzielany ze struktury metal tworzy stop z metalem naniesionym na powierzchnię. Otrzymane materiały poddaje się badaniom strukturalnym, elektrycznym i katalitycznym, a finalnie testuje się je jako materiały anodowe w ogniwach zasilanych ekopaliwami. Oprócz badań eksperymentalnych prowadzone są także obliczenia DFT, mające na celu określenie możliwości zachodzenia eksolucji nanocząstek i ich stopów z wybranych struktur, co w przyszłości ułatwi projektowanie nowych, aktywnych katalitycznie anod do tlenkowych ogniw paliwowych.

Realizacja projektu uzupełni istniejący stan wiedzy na temat ogniw SOFC zasilanych bezpośrednio ekopaliwami i pomoże znaleźć alternatywne, oczekiwanie lepsze niż komercyjnie stosowane materiały anodowe dla tych ogniw.