L'hidrogen és un portador d'energia sostenible. L'hidrogen «verd», produït amb energia renovable, pot ser utilitzat com a emmagatzematge d'energia i com a combustible. Per fer que la seva producció i ús siguin més eficients, duradors i rendibles, són necessaris nous materials. Així, les membranes que s'utilitzen en piles de combustible i electrolitzadors són determinants per a l'eficiència dels dispositius. Aquestes membranes sovint es fabriquen a partir de ceràmiques especialitzades.
Com exactament el comportament dels ions d'hidrogen - els protons - en les membranes ceràmiques es relaciona amb la seva estructura material encara no és completament comprès. En un projecte finançat pel Fons Nacional Suís (SNSF), investigadors de l'Empa, sota la direcció d'Artur Braun, cap de grup al laboratori de ceràmica d'alt rendiment, volen abordar aquesta qüestió juntament amb socis de recerca internacionals.
Braun i el seu equip han estat treballant en conductors de protons ceràmics durant 20 anys. Els bons conductors de protons han de complir dos requisits principals: han d'absorbir el màxim nombre de protons possible i els protons haurien de poder moure's lliurement dins del material. No obstant això, aquestes dues propietats sovint són contradictòries: quan s'optimitza una, l'altra sol empitjorar.
"Es pot imaginar la membrana ceràmica com un paisatge travessat per carreteres. Els protons es mouen per aquestes carreteres com cotxes", compara Braun. Com més cotxes circulen per les carreteres, més s'alenteix el trànsit. "Una autopista de protons de diversos carrils on les càrregues es mouen lliurement en ambdues direccions és un ideal", explica. Tot i això, les membranes de protons actuals s'assemblen més a un terreny accidentat, on els protons travessen amb dificultat per camins estrets.
Però, a diferència dels paisatges que coneixem, les xarxes cristal·lines de les membranes ceràmiques són dinàmiques, és a dir, canviants. En un treball anterior, l'equip de Braun va mostrar que la conductivitat de protons en ceràmiques ben conductores no sempre es manté constant, sinó que de vegades disminueix, mentre que altres vegades arriba a valors màxims. "És com si les muntanyes i les valls s'anivellessin de sobte. Els protons tenen, per un breu moment, camí lliure", explica Braun. També es va demostrar que el transport de protons en conductors ceràmics està estretament relacionat amb les vibracions de la xarxa cristal·lina, i que els protons incrustats en la xarxa poden canviar aquestes vibracions.
Per entendre millor aquest efecte, els investigadors en el seu projecte actual no es concentren en un bon conductor de protons, sinó en un de més aviat dolent. L'òxid de lantani-ceri (LCO) pot absorbir molts protons, però no els condueix. "Quan un mal conductor de protons es compara amb un embús, en el cas de l'LCO hi ha un veritable infart de trànsit", diu Braun.
Aquest suposat desavantatge ofereix als investigadors una oportunitat única per examinar els efectes de l'estructura del material sobre la conductivitat dels protons. A més de la resolució estructural cristal·logràfica d'alta resolució amb neutrons a l'Institut Paul Scherrer (PSI), l'equip utilitza nous mètodes en instal·lacions de gran escala als Estats Units i al Japó per mesurar amb precisió les vibracions de la xarxa cristal·lina i verificar models teòrics experimentalment. "Si comprenem els fonaments científics de la conductivitat de protons, podrem, en el millor dels casos, indicar com les ceràmiques futures podrien ser millors conductores de protons, permetent així membranes més eficients per a piles de combustible i electrolitzadors", explica el físic.
Contacte:
Dr. Artur Braun
Ceràmica d'alt rendiment
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch