Didelės entropijos konstrukcija pasiekia 3 kartus didesnę vandenilio gamybą

Nors medžiagų maišymas paprastai sukelia nestabilumą, egzistuoja reiškinys, žinomas kaip didelė entropija, kai didėjantis sudėties sudėtingumas iš tikrųjų gali padidinti stabilumą. KAIST (The Korea Advanced Institute of Science and Technology) tyrėjai pasinaudojo šiuo principu, kad užtikrintų greitesnę protonų pernašą ir efektyvesnes reakcijas elektrocheminėse ląstelėse, sukurdami technologiją, kuri žymiai pagerina vandenilio gamybos efektyvumą. Tikimasi, kad šis proveržis sumažins vandenilio sąnaudas ir paspartins perėjimą prie švarios energijos.

PBSCF ir PLNNCBSCF struktūrinė ir cheminė charakteristika. a) susintetintų PBSCF ir PLNNCBSCF rentgeno spindulių difrakcijos diagramos ir b) padidintas rentgeno spindulių difrakcijos vaizdas nuo 31,5 iki 33,5°. c) PLNNCBSCF rentgeno spindulių profilio Rietveldo patikslinimo rezultatai, kuriame įdėkle rodoma idealizuota struktūra. d) PLNNCBSCF HR-TEM vaizdas, kuriame įdėkle rodomos gardelės juostos. e) Atitinkami PLNNCBSCF elementų EDS atvaizdavimai. F) apžvalgos smailės, G) Pr 3d ir H) O 1s spektrų XPS PBSCF ir PLNNCBSCF. Šaltinis: „Advanced Energy Materials“ (2025). DOI: 10.1002/aenm.202503176. Korėjos pažangusis mokslo ir technologijų institutas (The Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)

 

 

Naujas elektrodas sprendžia lėtos kinetikos problemą

Mechanikos inžinerijos katedros profesoriaus Kang Taek Lee vadovaujama tyrimų komanda sukūrė naują deguonies elektrodo medžiagą, kuri žymiai pagerina reakcijos kinetiką ir našumą, naudojant konstrukciją su maksimaliai padidinta entropija. Deguonies elektrodas yra pagrindinis elektrocheminių elementų komponentas, kuriame vandenilio gamybos metu vyksta deguonies išsiskyrimas.

Straipsnis paskelbtas žurnale „Advanced Energy Materials“.

 

Žaliasis vandenilis, gaminamas iš vandens be anglies dioksido išmetimo, laikomas būsimų švarios energijos sistemų kertiniu akmeniu. Visų pirma, dėl didelio efektyvumo dėmesį patraukė protoninės keramikos elektrocheminės ląstelės (protonic ceramic electrochemical cells, PCEC), kurios vandenilį gamina skaidydamos vandenį elektros energija, ir protonams migruojant per ląstelę. Tačiau jų veikimą ribojo lėta reakcijos kinetika deguonies elektrode.

 

Didelės entropijos medžiagų dizainas

Siekdama išspręsti šią problemą, tyrėjų komanda pasirinko didelės entropijos strategiją, vienu metu įterpdama kelis metalinius elementus, kad padidintų konfigūracijos netvarką. Nors daugelio elementų maišymas paprastai destabilizuoja struktūras, esant tam tikroms sudėtims, maksimaliai padidinus entropiją, galima stabilizuoti vienfazę struktūrą.

 

Remdamiesi šia koncepcija, tyrėjai sukūrė didelės entropijos dvigubą perovskito deguonies elektrodą, į elektrodo struktūros A vietą įterpdami septynis skirtingus metalinius elementus (Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr). Ši medžiaga sujungia perovskito kristalinį karkasą su dviguba perovskito struktūra, kurią dar labiau sustiprina didelės entropijos dizainas.

 

Kelių mišrių metalinių elementų buvimas pagerina krūvio pernašą ir su deguonimi susijusias reakcijas elektrode, todėl žymiai pagreitėja elektrocheminės reakcijos tiek elektros, tiek vandenilio gamyboje.

 

Modeliavimo ir bandymų duomenys

Pažymėtina, kad tankio funkcionalo teorijos (density functional theory, DFT) skaičiavimai parodė, jog deguonies vakansijoms – aktyvioms vietoms, kuriose vyksta reakcijos – susidaryti reikalinga energija sumažėjo daugiau nei 60 %, palyginti su įprastomis medžiagomis. Tai rodo, kad reaktyviosios vietos gali susidaryti lengviau ir jų gausiau.

 

Be to, antrinės jonų masės spektrometrijos (time-of-flight secondary ion mass spectrometry, TOF-SIMS) analizė pagal transportavimo laiką parodė, kad protonų pernašos greitis padidėjo daugiau nei septynis kartus, o tai rodo, kad vandenilio generavimo procesai elektrode vyksta daug efektyviau.

 

Našumo pagerėjimas buvo reikšmingas. Elementai, kuriuose integruotas naujas elektrodas, pasiekė 1,77 W cm⁻² galios tankį esant 650 °C temperatūrai, maždaug 2,6 karto didesnį nei įprastų sistemų. Vandenilio gamybos našumas tomis pačiomis sąlygomis taip pat pagerėjo maždaug tris kartus (4,42 A cm⁻²).

 

Be to, atliekant ilgalaikius bandymus garo sąlygomis 500 valandų, našumo pablogėjimas buvo tik 0,76 %, o tai patvirtina puikų patvarumą ir stabilumą ilgalaikio veikimo metu.

 

Profesorius Kang Taek Lee teigė: „Šis tyrimas parodo, kad termodinaminė entropijos koncepcija gali būti naudojama elektrodų reaktyvumui kontroliuoti. Ji gali žymiai padidinti žaliojo vandenilio gamybos efektyvumą ir paspartinti vandenilio ekonomikos komercializavimą.“