Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Fundamentals of Surface Kinetics in High Temperature Electrochemistry (FUSKE)

Alternativ tittel: Overflatekinetikkstudier i høytemperaturelektrokjemi

Tildelt: kr 7,9 mill.

Prosjektet «FUndamentals of Surface Kinetics in High temperature Electrochemistry» (FUSKE) har som mål å bidra til å øke den fundamentale forståelsen av reaksjonene på grenseflaten mellom fast stoff og gassfase i høytemperatur elektrokjemiske prosesser. Elektrokjemiske prosesser er, og kommer til å bli sentrale i framtidas effektive og miljøvennlige energiteknologi - brenselceller og elektrolysører er eksempler på slike prosesser. I inneværende rapporteringsperiode har vi fortsatt å studere elementærreaksjonene som bygger opp prosessen å ta diatomiske gass molekyler, typisk H2 eller O2, adsorbere og dissosiere gass molekylene på overflaten til et oksid, og deretter innlemme elementet (for eksempel O eller H) som et ion (O2- eller H+) i oksidets overflaten. Å forstå disse delreaksjonene detaljert er uvurderlig for å finne materialer som vil øke effektiviteten til de overnevnte teknologiske prosessene. Et av materialene vi har studert med et bredt spekter av teknikker er akseptor substituert CeO2, som kan ansees både som et ideelt modell materiale og i tillegg har en rekke anvendelser. Vi har studert effekter av vanndamp på overflatereaksjoner og funnet at den ikke påvirker disse reasksjonene i så stor grad som vi forventet ut ifra beregningsbaserte studier. For å videreutvikle kunnskap rundt oksygen utveksling på fluorittbaserte binære og ternære oksider og spesielt effekter av vanndamp har vi substituert 50% Ce med La, noe som gir oss forbindelsen lantancerat, La2Ce2O7. Siden La3+ er mer basisk en Ce4+ vil man forvente større effekter av protoner i materialet. Det ble funnet at vanndamp senker overflate kinetikken ved at hydroksid specier blokkerer aktive seter for oksygen dissosiasjon og inkoorporering. For å studere delreaksjonene som bestemmer den totale overflatekinetikken har det vært nødvendig med utstrakt metodeutvikling. I all hovedsak baserer dette seg på å måle hvordan fordelingen av spesifikke sammensatte isotoper (f.eks 16,16O2; 16,18O2; og 18,18O2) utvikler seg over tid i kontakt med en oksidoverflate. Som et ledd i metodeutviklingen har vi den siste perioden av prosjektet utviklet et eksperimentelt oppsett der elektrokjemiske målinger kan utføres samtidig som gass-fase kinetikk studeres med isotoper. Dette oppsettet er, så langt vi vet, unikt i verdenssammenheng og vil generere data som kan bidra til helt ny forståelse av prosessene som skjer under elektrokjemiske energikonvertering.

The research performed in the project has contributed to increase the detailed understanding of surface processes for materials relevant as oxygen gas separation membranes and for electrodes in solid-state electrochemical energy interconversion devices and importance of the presence of water vapor. Also the increased understanding of the surface exchange mechanism for complex mixed proton-oxide ion-electron hole double perovskite will be essential input to develop further positrodes for proton ceramic fuel- and electrolyzer cells. Model materials for mixed oxide ion-electron and mixed proton-electron conductors have been investigated and the mechanisms for oxygen reduction and incorporation of protons have been determined increasing the overall understanding of the heterogenous gas-sold surface processes. An important outcome of the project, which will benefit the solid-state ionic research community in the years to come, is the significant development and implementation of gas-phase isotope based methodologies to investigate oxide kinetics in general, but most importantly the surface kinetics. As outlined previously in this report, there are already numerous projects that will benefit the methodology developed addressing both fundamental and more applied surface science by means of the IE-GPA and the PIE systems.

High temperature electrochemistry lacks fundamental understanding of the surface processes at play, processes of which kinetics in many cases rate-limit electrochemical transport. The present project addresses high temperature gas-solid reaction with the aim to develop the fundamental mechanistic insight providing the answers that enable development of a future clean and sustainable energy production. The present project, FUndamentals of Surface Kinetics in high temperature Electrochemistry (FUSKE), sets out with the hypothesis that water vapor is one of the keys to the understanding of surface mechanisms. Moreover, that effects of space charge zones at, or in the vicinity of, the surface strongly influence electrocatalytic properties. An array of novel experimental and computational based approaches will be utilized to address these two fundamental, scientific statements and to generate ground breaking, detailed mechanistic comprehension. This includes extensive use of isotopes in combination with transient approaches and isotope exchange annealing followed by ToF-SIMS. In particular novel approaches based on "super-heavy" water, D218O will be utilized and further developed. Instrumentation including both electron microscopy, ex-situ and in-situ, and spectroscopy based techniques, will be applied to characterize the surfaces structure, defect structure, electronic "states", microstructure and composition. Computational based approaches are included as the third important pillar in the projects overall methodology to develop and derive models for the aforementioned properties of the surfaces, and for comparison to the findings of the experiments. The project will be complementary to another projects focusing on methodology development and these two together will contribute important leaps in the understanding of surface processes in high temperature electrochemistry. The project will educate one PhD and train one researcher/post doc.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek