Mekanistiska aspekter om protoner i rena energimaterial
- Diarienummer
- ICA10-0001
- Start- och slutdatum
- 120401-160930
- Beviljat belopp
- 3 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Chalmers University of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Forskning på ''rena energimaterial'' är just nu ett av de starkast växande fälten inom materialvetenskap. Detta har sin grund i det ökande behovet av renare och mer hållbara energikällor, vilket är en av 2000-talets stora utmaningar. Prestandan på alternativa energiteknologier beror till stor del på dess materialegenskaper, varför utvecklingen av nästa generations apparater är direkt relaterat till utvecklingen av nya material. Utvecklingen av nya material begränsas dock ofta på grund av brister i förståelsen för materialens fundamentala egenskaper, sådana som dess struktur, strukturell oordning och, eventuellt, jonledningsmekanismer. Min forskningsplan syftar till att öka förståelsen av sådana fundamentala egenskaper i två klasser av väteinnehållande energirelaterade material, nämligen protonledande oxider, avsedda att användas som elektrolyter i framtida bränsleceller, och ''komplexa'' metallhydrider, avsedda att användas som material för vätelagring. Målet är att utveckla en förståelse för proton- och väte-diffusionsmekanismerna i de studerade materialen och sedan använda denna kunskap för att identifiera nya material med högre protonledningsförmåga eller mer gynnsamma väteabsorptionsegenskaper. De primära verktygen för dessa studier involverar användandet av neutron- och synkrotronljus-spridningstekniker vid internationella anläggningar samt vibrationsspektroskopi vid Chalmers Tekniska Högskola.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.