Functional oxides for clean energy technologies: fuel cells, gas separation membranes and electrolysers

Det nasjonalt koordinerte Nano2021-prosjektet Functional Oxides for Clean Energy Technologies (FOXCET) koordineres av SINTEF med UiO og NTNU som øvrige partnere. Prosjektet startet i 2014 og løper til utgangen av 2019. Prosjektet fokuserer på å øke den fundamentale forståelsen omkring transport av ioner og elektroner i materialer som benyttes i brenselceller, elektrolysører og gass-separasjonsmembraner, og som er teknologier for produksjon av elektrisk strøm, hydrogen og andre kjemikalier. Prosjektets tema aktualiseres også stadig sterkere gjennom behovet for å etablere billig, energieffektiv og fleksibel; produksjon av strøm, produksjon og bruk av hydrogen, omvandling av naturgass til mer verdifulle kjemikalier, og karbonfangst og -lagring (CCS). Mer spesifikt tar FOXCET-prosjektet for seg studier omkring avansert syntese av metalloksider, prosessering og kontroll av materialenes nano- og mikrostrukturer, og deres transport av ioner og elektroner i og over grenseflater som korngrenser og overflater. Våre studier av metallion-diffusjon i oksidene og materialets mekaniske egenskaper er nødvendig for å kunne vurdere levetiden til teknologiene. Prosjektet har et spesielt fokus på å studere elektrisk ladning i materialets korngrenser og overflater for å øke innsikten om teknologienes ytelse ved bruk. Et av prosjektets viktige hypoteser og resultat basert på eksperimentelle målinger og beregningsbaserte metoder, er at slik ladning er langt viktigere enn tidligere antatt for forståelsen av egenskapene til overflater og elektroder i anvendelsen av det viktige protonledende modellmaterialet bariumzirkonat (BaZrO3). Basert på denne forståelsen er en viktig del av prosjektet å utvikle nye elektroder med kontrollert mikro-/nanostruktur ved å benytte nye innovative synteseruter som skal gi teknologiene økt ytelse. De vitenskapelige resultatene er formidlet i internasjonale vitenskapelige journaler og ved en rekke internasjonale konferanser og workshops, sist ved «Future Challenges in Proton Conductive Ceramic Fuel Cells», Miyazaki, Japan, Mars 2019, ved «11th Petite Workshop on the Defect Chemical Nature of Advanced Energy Materials»; Tromsø, Oktober 2019, ved «Materials Research Meeting (MRM)», Yokohama, Japan, Desember 2019. FOXCET-prosjektet har arrangert 5 internasjonale workshops i løpet av prosjektperioden: - Mars 2015: "BZY"-workshop, ved UiO - November 2015: "HMS- og ELSA-aspekter", workshop i samarbeid med et annet NANO2021-prosjekt THELMA hos Forskningsrådet - November 2016: "Soft-chemistry and novel synthesis routes with focus on alternative cathodes", workshop ved NTNU - Juni 2017: "Proton ceramic reactors: Fundamentals and applications", workshop ved UiO - April 2018: "Ion conducting ceramic electrochemical devices: how interfaces and surfaces affect performance and lifetime", workshop ved UiO i samarbeid med M-ERA-NET-prosjektet SURKINOX FOXCET-prosjektet har til nå utdannet 2 PhD-kandidater ved NTNU og 1 ved UiO, og 2 post-doc-forskere ved UiO og NTNU. Personene som innehadde post-doc stillingene har gått til videre til hhv. professorat i Kina og forskerstilling i et industriselskap som utvikler brenselceller i Sverige. De tre utdannede PhD-kandidatene har tatt stillinger ved universiteter og industri i Danmark, Sverige og Norge. Ytterligere 1 PhD-kandidat ved UiO vil disputere i 2020. I 2019 har arbeidet på prosjektet i hovedsak omfattet de gjenværende stipendiatprosjektene ved UiO. Det ene omfatter eksperimentelle og teoretiske studier av metallion-diffusjon i BaZrO3, som grunnlag for å estimere degradering og livslengde til materialet og teknologiene det inngår i. Videre er det ferdigstilt og publisert resultatene fra en ny metode; elektronholografi i transmisjonselektronmikroskop (TEM). Denne muliggjør direkte bestemmelse av ladningen i korngrensene, slik den oppfattes av høyenergielektronstrålen i TEM. Prosjektet har oppnådd et gjennombrudd i forståelse av eksperimentet og tolkningen av resultatene som har stor betydning for fremtidig bruk av denne metoden som gir et atomært bilde av ladningene som påvirker ledningsevne og diffusjon i korngrensene i ioniske materialer. En rekke andre teoretiske arbeider er også gjort og publisert i løpet av 2019, bl.a. såkalt maskin-læring, en retning innen kunstig intelligens, for å gjøre datamodellering med superdatamaskiner enda mer effektiv slik at flere og mer komplekse strukturer kan beregnes. FOXCET og annen forskning på protonledende og andre energi-konverteringsmaterialer danner grunnlag for mange populærvitenskapelige artikler og presentasjoner, for eksempel på Cutting Edge-festivalen, Hydrogen-dag for skoleklasser, velkomstaktiviteter om hydrogen og nanoteknologi for nye bachelorstudenter, Nanoskolen, etc. Det har også bidratt til at partnerne UiO og SINTEF har kunnet koordinere EU-prosjektene ELECTRA og GAMER på protonkeramiske elektrolysører, og som sammen publiserte viktige resultater på elektrodeutvikling i journalen Nature Materials.

The FOXCET project has given increased insight of properties and stability of proton conductive oxide electrolytes used in energy and H2 technologies. Access to national infrastructures and supercomputers and use of international resources gave new insights and increased international recognition. 3 PhDs and 2 post docs completed. 1 PhD is delayed due to maternity leave. 22 papers published, 5 under preparation. 8 papers have co-authors from two or more Norwegian partners and 11 included international partners. Organisation of 5 international workshops gave increased visibility of Norwegian research. An international workshop on ELSA and HSE gave increased awareness and better practice. International cooperation with distinguished groups in USA (2), Japan (4), Spain (1) and Germany (2). Active promotion of relevant research to the EU FCH-JU resulting in a Call topic on proton ceramics. Cooperation with industry on proton ceramics has led to side projects reaching pilot scale.

The nationally coordinated project FOXCET addresses recent advances in proton and oxygen ion conducting materials for applications in the energy sector, notably high temperature fuel cells, steam electrolysis, and gas separation membranes. These electroch emical devices are of importance for more environment-friendly hydrogen- and fossil-fuelled transport and stationary power, for intermediate storage of peak renewable energy production, for carbon capture and storage, as well as a variety of fuel upgradin g processes. The project takes as starting point the last decades developments of fuel cell and membrane materials in RCN and EU projects by the partners and by startup companies around these, and moves into the next stage of scientific and technological understanding that may lead to enhanced performance and lifetime. These are based on the application of recent theory of charged core regions and space charge layers of interfaces like grain boundaries, and extending it to surfaces and electrodes, while a t the same time taking into use the wide range of atomic resolution microscopy and advanced spectroscopy that have become available at large facilities and national research infrastructures. Moreover, the project takes advantage of supercomputer facilitie s and partner proven expertise to model the same interfaces at an unprecedented level. Cation diffusivity in bulk and grain boundary as well as thermomechanical degradation will be measured and used to predict and improve lifetime with support from measur ement of mechanical properties. Finally, these activities are matched with a range of nanostructuring fabrication methods for model materials and improved components such as fuel cells cathodes. The project educates and trains 6 PhD and postdoc candidates . It encompasses partners SINTEF, NTNU, and UiO, is budgeted at 34743 knok and lasts 5 years.