Mechanistic aspects of protons in clean energy materials
- Reference number
- ICA10-0001
- Start and end dates
- 120401-160930
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Research on ''clean energy materials'' is one the most growing areas in the field of materials science. This is because of the need of developing cleaner and more sustainable sources of energy, which is one of the major challenges in the 21st century. The performance of alternative energy technologies depends on the properties of their component materials. For the development of next-generation devices, the discovery and optimization of new materials are critical to future breakthroughs. This depends on a better understanding of the basic science that underpins applied research, but such understanding is often lacking. In view of this lack of knowledge, this proposal aims at elucidating key fundamental properties, such as local structure, structural disorder and conduction mechanisms in two classes of energy-related materials, namely proton-conducting oxides, targeted for intermediate-temperature fuel cells, and "complex" metal hydrides, targeted as media for on-board hydrogen storage. The goal is to develop an atomic-scale understanding of the proton (hydrogen) diffusion mechanism and apply this knowledge to the rational design of new materials with higher proton conductivities or more favorable hydrogen sorption properties. The primary tools to this end involve the use of neutron and synchrotron x-ray scattering techniques, available at international large-scale facilities, and vibrational spectroscopy, available at Chalmers University of Technology.
Popular science description
Väte är det vanligaste grundämnet i universum och spelar en nyckelroll inom ett flertal teknologier och material. Exempel på sådana är bränsleceller, som producerar elektricitet genom att omvandla vätgas och syre till vatten, och material som kan lagra vätgas som bränsle till dessa apparater. Bränslecellen, i kombination med effektiv lagring av väte, är en av de mest lovande teknologierna för miljövänliga tillämpningar inom transportsektorn och därför för ett mer hållbart samhälle i stort. Det har dock visat sig svårt att kommersialisera teknologin då det återstår att lösa ett flertal materialtekniska problem. För bränsleceller, som fungerar genom att väteatomers kärnor (protoner) rör sig genom en så kallad elektrolyt, har det varit svårt att utveckla elektrolyter med tillräckligt hög protonledningsförmåga, medan det för lagringsmaterialen har varit svårt att uppfylla kraven på hög densitet och snabb absorption/desorption av väte vid praktiska förhållanden av tryck och temperatur. För att kunna förbättra protonledningsförmågan och väteabsorptions/desorptions-egenskaperna i dagens material är det nödvändigt att ha en grundläggande förståelse om hur protonerna, eller väteatomerna, rör sig (d.v.s. dess dynamik), samt hur dynamiken beror på materialets struktur. Den nuvarande förståelsen om struktur och dynamik är dock klart begränsad och det återstår därför mycket forskning innan vi systematiskt kan utveckla nya material med förbättrade egenskaper. Den planerade forskningen är därför att undersöka sambandet mellan struktur och protonernas (eller väteatomernas) rörelser i några av dagens mest lovande protonledande elektrolyter och vätelagringsmaterial. Studierna på protonledande material kommer att fokuseras på oxider med perovskitstruktur, medan studierna på lagringsmaterial kommer fokuseras på "komplexa" metallhydrider. De primära verktygen för dessa undersökningar involverar användandet av neutron- och synkrotronljus-spridningstekniker samt Raman och infraröd spektroskopi. Utifrån den nya kunskapen som kommer att erhållas kommer vi utveckla en förståelse för vad som styr protonledningsförmågan samt absorptions/desorptions-egenskaperna av väte i de studerade materialen och därigenom systematiskt kunna leda syntesen mot nya, bättre, material. Den nya kunskapen kommer inte bara vara viktig för de två materialklasserna i fråga utan kommer också vara värdefull för att förstå diffusionsmekanismer i fasta material i allmänhet.