MIT inżynierowie odkryli obiecujące nowe materiały, które mogą zrewolucjonizować przewodzenie protonów i doprowadzić do powstania bardziej energooszczędnych ogniw paliwowych, elektrolizerów, baterii lub urządzeń komputerowych.
Identyfikując cechy zwiększające mobilność protonów, zespół wskazał sześć potencjalnych materiałów, które mogą przewyższać istniejące opcje, oferując drogę do wydajnych rozwiązań w zakresie energii niskotemperaturowej.
Przewodniki protonowe: klucz do czystej energii
Jak sama nazwa wskazuje, większość współczesnych urządzeń elektronicznych działa poprzez ruch elektronów. Ale materiały, które mogą skutecznie przewodzić protony — jądro wodoru atom — może mieć kluczowe znaczenie dla szeregu ważnych technologii przeciwdziałania globalnej zmianie klimatu.
Większość dostępnych obecnie materiałów nieorganicznych przewodzących protony wymaga niepożądanych wysokich temperatur, aby osiągnąć wystarczająco wysoką przewodność. Jednakże alternatywy niskotemperaturowe mogłyby umożliwić zastosowanie szeregu technologii, takich jak bardziej wydajne i trwałe ogniwa paliwowe do wytwarzania czystej energii elektrycznej z wodoru, elektrolizery do wytwarzania czystych paliw, takich jak wodór do transportu, półprzewodnikowe baterie protonowe, a nawet nowe rodzaje urządzenia obliczeniowe oparte na efektach jonoelektronicznych.
Postępy w badaniach nad przewodnikami protonowymi
Aby przyspieszyć rozwój przewodników protonowych, inżynierowie z MIT zidentyfikowali pewne cechy materiałów, które powodują szybkie przewodzenie protonów. Wykorzystując te cechy ilościowo, zespół zidentyfikował pół tuzina nowych kandydatów, którzy mogą okazać się obiecującymi szybkimi przewodnikami protonów. Symulacje sugerują, że ci kandydaci będą działać znacznie lepiej niż istniejące materiały, chociaż nadal należy je dostosować eksperymentalnie. Oprócz odkrycia potencjalnych nowych materiałów badania zapewniają także głębsze zrozumienie na poziomie atomowym działania takich materiałów.
Nowe odkrycia opisano w czasopiśmie Nauki o energii i środowiskuw artykule profesorów MIT Bilge Yildiza i Ju Li, postdoktorów Pjotrsa Zgunsa i Konstantina Klyukina oraz ich współpracowniczki Sossiny Haile i jej studentów z Uniwersytet Północno-Zachodni. Yildiz jest profesorem Breene M. Kerr na wydziałach Nauki i Inżynierii Jądrowej oraz Nauki i Inżynierii Materiałowej.
„Przewodniki protonowe są potrzebne w zastosowaniach związanych z konwersją czystej energii, takich jak ogniwa paliwowe, w których wykorzystujemy wodór do wytwarzania energii elektrycznej wolnej od dwutlenku węgla” – wyjaśnia Yildiz. „Chcemy przeprowadzić ten proces sprawnie, dlatego potrzebujemy materiałów, które mogą bardzo szybko transportować protony przez takie urządzenia”.
Aktualne wyzwania i przyszłe kierunki
Obecne metody wytwarzania wodoru, na przykład parowy reforming metanu, emitują duże ilości dwutlenku węgla. „Jednym ze sposobów wyeliminowania tego jest elektrochemiczne wytwarzanie wodoru z pary wodnej, a to wymaga bardzo dobrych przewodników protonów” – mówi Yildiz. Produkcja innych ważnych przemysłowych chemikaliów i potencjalnych paliw, takich jak amoniak, może być również prowadzona za pomocą wydajnych systemów elektrochemicznych, które wymagają dobrych przewodników protonów.
Jednak większość materiałów nieorganicznych przewodzących protony może działać tylko w temperaturach od 200 do 600 stopni Celsjusz (około 450 do 1100 Fahrenheita) lub nawet wyżej. Utrzymanie takich temperatur wymaga energii i może powodować degradację materiałów.
„Przechodzenie do wyższych temperatur nie jest pożądane, ponieważ sprawia to, że cały system staje się większym wyzwaniem, a trwałość materiału staje się problemem” – mówi Yildiz. „W temperaturze pokojowej nie ma dobrego nieorganicznego przewodnika protonów”.
Obecnie jedynym znanym przewodnikiem protonów pracującym w temperaturze pokojowej jest materiał polimerowy, który nie nadaje się do zastosowań w urządzeniach komputerowych, ponieważ nie można go łatwo przeskalować do wartości nanometrowych – mówi.
Mechanizmy przewodzenia protonów
Aby uporać się z tym problemem, zespół musiał najpierw uzyskać podstawową i ilościową wiedzę na temat dokładnego działania przewodzenia protonów, biorąc pod uwagę klasę nieorganicznych przewodników protonów, zwanych stałymi kwasami. „Najpierw trzeba zrozumieć, co reguluje przewodzenie protonów w tych związkach nieorganicznych” – mówi. Analizując konfiguracje atomowe materiałów, naukowcy zidentyfikowali parę cech, które bezpośrednio odnoszą się do potencjału materiałów w zakresie przenoszenia protonów.
Jak wyjaśnia Yildiz, przewodzenie protonów polega najpierw na „przeskakiwaniu” protonu z atomu tlenu donora do tlenu akceptora. A potem środowisko musi się zreorganizować i zabrać przyjęty proton, aby mógł przeskoczyć do innego sąsiedniego akceptora, umożliwiając dyfuzję protonów na duże odległości. Proces ten zachodzi w wielu nieorganicznych ciałach stałych – mówi. Kluczową częścią tych badań było ustalenie, jak działa ta ostatnia część – jak sieć atomowa ulega reorganizacji w celu odciągnięcia przyjętego protonu od pierwotnego atomu dawcy – mówi.
Odkrywanie nowych materiałów
Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe do zbadania klasy materiałów zwanych stałymi kwasami, które stają się dobrymi przewodnikami protonów w temperaturze powyżej 200 stopni Celsjusza. Ta klasa materiałów ma podstrukturę zwaną podsiecią grup polianionowych, a grupy te muszą się obracać i zabierać proton z jego pierwotnego miejsca, aby mógł następnie przenieść się do innych miejsc. Naukowcom udało się zidentyfikować fonony, które przyczyniają się do elastyczności tej podsieci, która jest niezbędna do przewodzenia protonów. Następnie wykorzystali te informacje do przeszukania rozległych baz danych dotyczących teoretycznie i eksperymentalnie możliwych związków w poszukiwaniu materiałów lepiej przewodzących protony.
Implikacje i perspektywy na przyszłość
W rezultacie okazało się, że są solidne kwas związki będące obiecującymi przewodnikami protonów, które zostały opracowane i wyprodukowane do różnych zastosowań, ale nigdy wcześniej nie były badane jako przewodniki protonów; okazało się, że związki te mają odpowiednią charakterystykę elastyczności sieci.
Następnie zespół przeprowadził symulacje komputerowe, jak określone materiały zidentyfikowane podczas wstępnej selekcji zachowają się w odpowiednich temperaturach, aby potwierdzić ich przydatność jako przewodników protonów w ogniwach paliwowych lub do innych zastosowań. Rzeczywiście znaleźli sześć obiecujących materiałów, których przewidywana prędkość przewodzenia protonów jest większa niż w przypadku najlepszych istniejących przewodników protonów w postaci stałej.
„W tych symulacjach występuje niepewność” – ostrzega Yildiz. „Nie chcę dokładnie powiedzieć, o ile wyższa będzie przewodność, ale wygląda to bardzo obiecująco. Mamy nadzieję, że zmotywuje to dziedzinę eksperymentalną do podjęcia prób syntezy ich w różnych formach i wykorzystania tych związków jako przewodników protonów”.
Przełożenie tych teoretycznych ustaleń na praktyczne rozwiązania może zająć kilka lat, mówi. Prawdopodobne pierwsze zastosowania dotyczyłyby ogniw elektrochemicznych do produkcji paliw i surowców chemicznych, takich jak wodór i amoniak – mówi.
Odniesienie: „Odkrywanie szybkich przewodników protonowych w stanie stałym w oparciu o dynamikę grup polianionowych i siłę wiązania protonów”, Pjotrs Žguns, Konstantin Klyukin, Louis S. Wang, Grace Xiong, Ju Li, Sossina M. Haile i Bilge Yildiz, 19 czerwca 2024 r. , Nauka o energii i środowisku.
DOI: 10.1039/D4EE01219D
Prace były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Fundację Wallenberga i amerykańską Narodową Fundację Nauki.
