Rewolucja w energetyce! Nowe ogniwa wodorowe deklasują konkurencję

Skandowa autostrada dla protonów i liczby, które przekonują

Sekretem okazała się modyfikacja elektrolitu, czyli warstwy odpowiedzialnej za transport jonów wodoru. Tradycyjne materiały oparte na tlenku barowo-cynowym (BaSnO₃) i tytanianie baru (BaTiO₃) poddano ekstremalnemu domieszkowaniu skandem, osiągając 70-80% zawartości tego pierwiastka. Tak radykalne podejście długo uznawano za niepraktyczne. Jak przyznaje Yoshihiro Yamazaki, w dotychczasowym wydaniu stosowane materiały nie były w stanie przenosić wystarczającej liczby protonów odpowiednio szybko w temperaturach, w jakich musieli działać inżynierowie. Trzeba więc było znaleźć wyjście z tej sytuacji.

Czytaj też: Wodór za 1,52 dolara i czysta woda w jednym systemie. Naukowcy stworzyli przełomowe rozwiązanie energetyczne

Szczegółowe analizy ujawniły nieoczekiwany mechanizm: atomy skandu tworzą w materiale specyficzne ścieżki (nazwane “autostradą”), wzdłuż których protony przemieszczają się z minimalną barierą energetyczną około 0,3 eV. Nowe materiały osiągnęły przewodność protonową przekraczającą 0,01 S/cm w zaskakująco niskiej temperaturze 300 stopni Celsjusza. To wartość porównywalna z konwencjonalnymi elektrolitami SOFC działającymi w 600-700 stopniach Celsjusza. Dla porównania, te same materiały z jedynie 20-procentową domieszką skandu wykazywały dziesięciokrotnie niższą przewodność (0,001 S/cm). Wniosek był jasny: dodawanie chemicznych domieszek może zwiększyć liczbę ruchomych protonów, ale jednocześnie grozi zatykaniem sieci krystalicznej i spowalnianiem jej. Konieczne było znalezienie złotego środka w tym zakresie. Co istotne, materiały wykazały nietypową miękkość strukturalną, pozwalającą absorbować większe ilości skandu bez blokowania przepływu jonów.

Testy wytrzymałościowe i perspektywy na przyszłość

W praktycznych zastosowaniach kluczowa jest nie tylko wydajność, ale i trwałość. Badania stabilności chemicznej materiału BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃ przyniosły zachęcające wyniki. Przetrwał on 398 godzin ekspozycji na dwutlenek węgla w warunkach wysokiej wilgotności przy 300 stopniach Celsjusza. Naukowcy szacują, że odpowiada to ponad stuletniemu okresowi użytkowania w normalnych warunkach atmosferycznych.

Obniżenie temperatury pracy ogniw może zmniejszyć koszty produkcji nawet o połowę, głównie poprzez eliminację drogich materiałów żaroodpornych. To stwarza szansę na systemy energetyczne dostępne dla mniejszych odbiorców, choć na komercjalizację przyjdzie jeszcze poczekać. Potencjał technologii wykracza poza same ogniwa paliwowe. Japońscy badacze wskazują na możliwość wykorzystania tych rozwiązań w niskotemperaturowych elektrolizerach do produkcji wodoru, systemach oczyszczania gazu wodorowego, czy też reaktorach służących do konwersji CO₂.

Czytaj też: Wielkie odejście od ropy? Nie będą użerać się z wodorem i postawią na inne paliwo

Yamazaki dodaje, iż praca jego zespołu przekształca długotrwały paradoks naukowy w praktyczne rozwiązanie, przybliżając przystępną cenowo energię wodorową do codziennego życia. Przypadek ten pokazuje, jak zakwestionowanie utartych przekonań może doprowadzić do przełomu. Przez lata uważano, że wysokie stężenie skandu w elektrolitach musi hamować przepływ protonów. Tymczasem japońskie badania dowiodły, iż przy odpowiedniej strukturze materiału, efekt może być dokładnie odwrotny. Najbliższym wyzwaniem będzie skalowalność produkcji i kwestia kosztów trudno dostępnego skandu.