موفقیت در فناوری الکترولیت؛ گامی به سوی تولید مقرون‌به‌صرفه سوخت هیدروژنی در دمای پایین
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه کیوشو در ژاپن نوع جدیدی از پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) را توسعه داده‌اند که در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۰۰ درجه فارنهایت) کار می‌کند، که کاهش قابل توجهی نسبت به دمای عملیاتی معمول است.
محققان در یک بیانیه مطبوعاتی گفتند: «این تیم انتظار دارد که یافته‌های جدیدشان منجر به توسعه SOFCهای کم‌هزینه و کم‌دما شود و کاربرد عملی این دستگاه‌ها را تا حد زیادی تسریع کند.»
این پیشرفت می‌تواند این دستگاه‌های تولیدکننده انرژی را برای استفاده گسترده‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و کاربردی‌تر کند. این کار به یک چالش کلیدی برای SOFCها می‌پردازد.
محققان در یک بیانیه مطبوعاتی افزودند: «اگرچه پیل‌های سوختی اکسید جامد به دلیل راندمان بالا و طول عمر طولانی امیدوارکننده هستند، اما یکی از معایب اصلی آنها این است که نیاز به عملکرد در دما‌های بالا در حدود ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد (۱۲۹۲ تا ۱۴۷۲ درجه فارنهایت) دارند.»
چنین گرمایی نیاز به مواد مقاوم در برابر حرارت گران‌قیمت و تخصصی دارد که این فناوری را برای بسیاری از کاربرد‌ها گران می‌کند. انتظار می‌رود دمای عملیاتی پایین‌تر، این هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
کاهش هزینه‌های مواد
پروفسور یوشیهیرو یامازاکی از پلتفرم تحقیقات انرژی بین رشته‌ای/فرا رشته‌ای دانشگاه کیوشو، که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، خاطرنشان کرد: «کاهش دمای کار به ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۰۰ درجه فارنهایت)، هزینه‌های مواد را کاهش داده و دری را به سوی سیستم‌های سطح مصرف‌کننده باز می‌کند.»
موفقیت این تیم از مهندسی مجدد الکترولیت پیل سوختی، لایه سرامیکی که پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) را برای تولید برق منتقل می‌کند، ناشی می‌شود.
پیش از این، دانشمندان با یک بده‌بستان مواجه بودند. افزودن مواد شیمیایی به الکترولیت، تعداد پروتون‌های موجود را افزایش می‌دهد، اما همچنین باعث گرفتگی شبکه کریستالی ماده می‌شود که حرکت پروتون‌ها را کند کرده و عملکرد را کاهش می‌دهد.
پیدا کردن تعادل
تیم کیوشو برای حل این مشکل تلاش کرد. یامازاکی اظهار داشت: «ما به دنبال کریستال‌های اکسیدی بودیم که بتوانند پروتون‌های زیادی را در خود جای دهند و به آنها اجازه حرکت آزادانه بدهند - تعادلی که مطالعه جدید ما سرانجام به آن دست یافت.»
آنها دریافتند که با دوپینگ دو ترکیب، استانات باریم (BaSnO۳) و تیتانات باریم (BaTiO۳)، با غلظت‌های بالای اسکاندیم (Sc)، می‌توانند یک ساختار کارآمد ایجاد کنند.
تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که اتم‌های اسکاندیم چیزی را تشکیل می‌دهند که محققان آن را «بزرگراه ScO₆» می‌نامند. این ساختار، مسیری پهن و با ارتعاش ملایم را در ماده ایجاد می‌کند.
یامازاکی توضیح داد: «این مسیر هم عریض و هم دارای ارتعاش ملایم است که از به دام افتادن پروتون که معمولاً اکسید‌های به شدت آلاییده شده را آزار می‌دهد، جلوگیری می‌کند.»
ماده حاصل در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد به رسانایی پروتونی بیش از ۰.۰۱ زیمنس بر سانتی‌متر دست می‌یابد، سطحی از عملکرد که با الکترولیت‌های SOFC معمولی که در دمایی بیش از دو برابر کار می‌کنند، قابل مقایسه است.
پیامد‌های گسترده
پیامد‌های این کار فراتر از این پیل سوختی خاص است. اصل طراحی ایجاد مسیر‌های یونی کارآمد در مواد، مبنایی برای توسعه سایر فناوری‌های انرژی فراهم می‌کند.
پروفسور یامازاکی پیشنهاد می‌کند که همین مفهوم می‌تواند برای بهبود سایر ابزار‌های کربن‌زدایی به کار گرفته شود.
او تأکید کرد: «فراتر از پیل‌های سوختی، همین اصل را می‌توان در فناوری‌های دیگر، مانند الکترولیز‌های دمای پایین، پمپ‌های هیدروژن و راکتور‌هایی که CO₂ را به مواد شیمیایی ارزشمند تبدیل می‌کنند، به کار برد و در نتیجه تأثیر کربن‌زدایی را چند برابر کرد.»
هدف این پروژه تبدیل یک چالش علمی دیرینه به یک نتیجه کاربردی بود. یامازاکی در پایان می‌گوید: «کار ما یک پارادوکس علمی دیرینه را به یک راه‌حل عملی تبدیل می‌کند و انرژی هیدروژنی مقرون‌به‌صرفه را به زندگی روزمره نزدیک‌تر می‌کند.»