Vesinik on säästlik energiaallikas. "Roheline" vesinik, mis on toodetud taastuvenergiaga, saab kasutada nii energia salvestajana kui ka kütusena. Selle tootmise ja kasutamise tõhusamaks, vastupidavamaks ja odavamaks muutmiseks on vaja uusi materjale. Membraanid, mida kasutatakse kütuseelementides ja elektrolüsaatorites, on suuresti vastutavad seadmete tõhususe eest. Need membraanid valmistatakse sageli spetsiaalsest keraamikast.
Kuidas täpselt vesinikuioonide – prootonite – käitumine keraamilistes membraanides on seotud nende materjalistruktuuriga, ei ole veel täielikult mõistetud. Šveitsi Riikliku Teadusfondi (SNF) rahastatud projektis soovivad Empa teadlased koos Artur Brauniga, kes on kõrge jõudlusega keraamika laboris gruppijuht, uurida seda küsimust koostöös rahvusvaheliste teaduspartneritega.
Brauni ja tema meeskond on juba 20 aastat tegelenud keraamiliste prootonijuhtide uurimisega. Häid prootonijuhte peab iseloomustama kaks peamist omadust: nad peavad suutma võtta vastu võimalikult palju prootoneid ja prootonid peaksid saama materjalis võimalikult vabalt liikuda. Need kaks omadust on aga omavahel vastuolus: ühe parendamine halvendab tavaliselt teist.
"Keraamilist membraani võib võrrelda maastikuga, mida läbivad teed. Prootonid liiguvad neil teedel nagu autod," võrdleb Braun. Mida rohkem autosid teedel liigub, seda rohkem liiklus takerdub. "Mitmerealine prootoni-autobahn, kus laengud voolavad takistusteta mõlemas suunas, on unistus," selgitab ta. Kuid praegu on tavalised prootonmembraanid rohkem ohtlikul maastikul, kus prootonid peavad üle kitsaste radade vaevaliselt liikuma.
Erinevalt meile tuttavatest maastikest on keraamiliste membraanide kristallvõrgud dünaamilised – muutuvad. Brauni meeskond suutis varasemas töös tõestada, et hästi juhtivates keraamikates ei jäta prootonijuhtivus alati samaks, vaid saavutab mõnikord madalamaid ja mõnikord tipptulemusi. "See on nii, nagu oleksid mäed ja orud järsku tasa. Prootonid saavad korraks nii-öelda vabalt liikuda," selgitab Braun. Samuti näitas Empa meeskond, et prootonitransport keraamilistes juhtmetes on tihedalt seotud kristallvõrgu võnkumistega – ja et võrgus sisalduvad prootonid võivad ise võnkeid muuta.
Selle efekti paremaks mõistmiseks keskenduvad teadlased oma praeguses projektis mitte heale prootonijuhile, vaid pigem halvale – lantaan-okkisiid Cer (LCO) võib küll võtta palju prootoneid, kuid neid edasi ei juhi. "Kui halb prootonijuht on võrreldav ummikuga, on LCO puhul tegemist liiklusinfarktiga," ütleb Braun.
See näiline puudus pakub teadlastele aga ainulaadse võimaluse uurida materjalistruktuuri mõju prootonijuhtivusele. Lisaks kristallograafilise struktuuri kõrglahutusega selgitusele neutronitega Paul Scherrer Instituudis (PSI) kasutab meeskond uusi meetodeid USA-s ja Jaapanis asuvates suurtes uurimisasutustes, et täpselt mõõta kristallvõrgu võnkumisi ja kontrollida teoreetilisi mudeleid eksperimentaalselt. "Kui me mõistame prootonijuhendamise teaduslikke aluseid, saame ideaalis selgitada, kuidas tulevased keraamikad saaksid muutuda paremateks prootonijuhtideks ja seeläbi võimaldada tõhusamaid membraane kütuseelementidele ja elektrolüsaatoritele," selgitab füüsik.
Kontakt:
Dr. Artur Braun
Kõrge jõudlusega keraamika
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch