Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Governing Principles in Hydration of Mixed Conducting Oxides

Alternativ tittel: Grunnleggende prinsipper for hydratisering av oksider med blandet ionisk og elektronisk ledningsevne

Tildelt: kr 6,7 mill.

GoPHy MiCO adresserer en vesentlig utfordring i utviklingen av nye, effektive energisystemer basert på proton-keramiske brenselceller og elektrolysører (PCFCs / PCECs), nemlig identifikasjon og optimalisering av keramiske elektrodematerialer med blandet protonisk og elektronisk ledningsevne, såkalte MPECs (Mixed Proton and Electron Conducting Ceramics). MPEC-egenskaper er avgjørende for oksygen/damp-elektrodene, men få kandidater er hittil identifisert, og kunnskapen om disse materialene har vært begrenset. Ved å studere en stor matrise av dobbelt-perovskitter med forskjellige innskuddsmetall- og sjeldne-jordarts-kationer, og ved systematisk substitusjon av disse på perovskittens A- og B-plass, har trender i struktur, oksidasjon, hydratisering, elektronstruktur og ledningsevne blitt etablert. Prosjektet vil gi betydelige bidrag til utviklingen av PCFCs / PCECs og derved den pågående implementeringen av hydrogen-baserte energisystemer. Metodene anvendt omfatter Pulver Nøytron Diffraksjon (PND), ledningsevnemålinger, elektrokjemiske målinger, Sekundærione-massespektrometri (SIMS), Scanning Transmisjons-Elektronmikroskopi (STEM), termogravimetri (TG), ab initio atomistisk modellering (DFT) og forskjellige røntgenbaserte metoder (XPS, XAS, XANES, SR-XRD). Fem komposisjonsserier med økende kationkompleksitet er undersøkt i prosjektperioden. Partnere er UiO og IFE (NO), Gdansk Tekniske Universitet (GUT) (PL) og ITQ/CSIC (Valencia, ES). Prosjektet har syntetisert 152 prøver av 80 unike sammensetninger innenfor fem serier av materialkomposisjoner med økende kationkompleksitet. En serie med hydratiserende oksider er identifisert, og hovedhypotesen er blitt spisset og styrket gjennom prosjektperioden. Det er identifisert bestemte parametere som korrelerer med hydratisering, spesielt effekten av lukkede valenselektronskall, som har vist seg avgjørende for protonstabilitet. Som et resultat av de identifiserte parameterne, samt gjennom en iterativ arbeidsprosess har en rekke nye MPECs blitt identifisert. Arbeidsprosessen har bestått i å analysere hver komposisjonsserie i fire av seks forskjellige arbeidspakker og føre resultatene tilbake til første arbeidspakke. Et teknisk utvalg bestående av de utøvende vitenskapelige ansatte ved hver institusjon har hatt ukentlige videomøter i de to første årene, samt annenhver uke i det siste året. I disse møtene er resultatene fra fire arbeidspakker evaluert, og avgrensninger av påfølgende komposisjonsserier bestemt. På grunn av COVID-19 er halvårige prosjektmøter for prosjektets generalforsamling (General Assembly, GA) i 2020 avholdt via videomøter. Syv vitenskapelige artikler er så langt publisert i sjette arbeidspakke, og seks publikasjoner er planlagt og påbegynt. Nye MPEC-materialer er funnet gjennom å substituere elementer med lukkede elektronskall inn på A(I), A(II) og B-plass i perovskitt-strukturen. Benyttede elementer med disse egenskapene har vært Sr og Ba på A(I), La, Gd, Lu og Y på A(II) og Ti og Zn på B-plass (Gd har halvfullt 4f-skall i ionisert tilstand og regnes for enkelthets skyld å ha lukket 4f-skall). Slik har komposisjonene BaGd0.8Lu0.2Co2O6-d (BGLuC82), Ba0.5Sr0.5Gd0.8La0.2Co2O6-d (BSGLC5582), BaGd0.8Y0.2Co2O6-d (BGYC82) , BaGd0.8La0.2Co1.8Ti0.2O6-d (BGLC82:Ti) og BaGd0.8La0.2Co1.8Zn0.2O6-d (BGLC82:Zn) blitt identifisert som nye MPECs. I tillegg har prosjektet gjort en dyptgående studie av hydratiseringen av systemet BaGd1-xLaxCo2O6-d (BGLC, x = 0, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.8, 1). Studien har avdekket inkorporeringsmekanismer og absolutte protonkonsentrasjoner ved bruk av termogravimetriske målinger med isotopbytte mellom H2O og D2O. Kombinerte studier med STEM og TG har avdekket at vannopptak i oksiderende betingelser kombineres med oksidasjon og strukturovergang fra A-plass ordning til A-plass uorden. I inerte betingelser foregår protoninkorporering i all hovedsak ved hydrogenering (reduksjon). Prosjektet har gjort måletekniske nyvinninger, spesielt innenfor ledningsevnemålinger. Som beskrevet i prosjektplanen har prosjektet utviklet en målemetode for partiell protonledningsevne i elektroniske ledere med høy ledningsevne, såkalte Hebb-Wagner målinger. Denne typen målinger er aldri før utført på MPEC-materialer. Resultatene viser at ledningsevnen for protoner i det studerte MPEC-materialet (BGLC82) er to størrelsesordener lavere enn i protonledende oksider brukt som elektrolyttmaterialer. Dette gir viktig informasjon om i hvilken grad en MPEC kan øke det elektroaktive arealet i PCFC/PCEC-elektrodene. Elektrokjemiske målinger er utført ved bruk av modell-elektroder av utvalgte MPEC-komposisjoner. Resultatene er fortsatt under analyse, og en separat publikasjon om elektrokjemisk effekt av blandet ledningsevne for elektronhull og protoner er under forberedelse.

GoPHy MiCO har løftet studiet av Mixed Protonic and Electron Conducting oxides (MPECs) til et nytt nivå. Hovedhypotesen er revidert gjennom en dypere forståelse av vekselvirkningen mellom protonstabilitet og ladningsforhold i kovalente og ioniske bindinger. Resultatet er identifikasjon av strukturelle faktorer for stabilisering av protondefekter i lagdelte MPECs, relatert til ladnings(elektron)overføringen mellom anion og kation, hvordan denne styres av relative elektroniske energinivåforskjeller, og effekten av bindingsvinkler og -lengder. Kationsubstituentenes påvirkning er avdekket. Det har fremkommet at kationer med tomt, halvfullt og fulle elektronskall kan stabilisere protoner, noe som har avdekket flere nye MPECs. Ett M-Era.Net prosjekt, FunKey Cat, er innvilget og igangsatt for videreutvikling av resultatene i GoPHy MiCO. To EU FCH JU prosjekter, GAMER og WINNER er hhv igangsatt og innvilget, hvor resultater fra GoPHy MiCO er sentrale i både oppskalerte og fundamentale studier.

GoPHy MiCO addresses one of the main challenges in the development of new efficient energy systems based on Proton Ceramic Fuel Cells and Electrolysers, namely the identification of ceramics with mixed protonic and electronic conductivity. These are essential for the oxygen/steam electrodes, but only few and mediocre ones are identified. By systematically studying a set of double perovskites with different cations on distinguishable A-sites, and by systematic substitutions of these and also the B-site cation, trends in structures, oxidation, and hydration behaviour and conductivity will be established. The project outcome will potentially bring significant contributions to the ongoing implementation of hydrogen energy systems. Methodology to be employed comprises Neutron Powder Diffraction, electrochemical methods impedance spectroscopy, thermogravimetry, and ab initio atomistic modelling. Partners are UiO and IFE (NO), GUT (PL) and ITQ/CSIC (ES).

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale