Kimyasal reaksiyonları mikroskobik ölçekte gözlemleyen Japonya, yakıt hücresi kimyasal reaksiyonlarını anlamak için yeni bir yol keşfetti
Kyushu Üniversitesi - Japon araştırmacıların atomik düzenleme simülasyonu, katı oksit yakıt hücrelerinde meydana gelen reaksiyonların mikroskobik gözlemi için yeni bir yöntem sağlar. Spesifik yöntem, elektrot üzerindeki aktif parçaların gerçek atomik ölçekli modellerini kullanarak başlangıç noktası olarak mikroskop gözlemine dayanmaktadır. . Bu daha iyi anlayış, ekipman performansı ve dayanıklılığında gelecekteki iyileştirmeler için ipuçları sağlayabilir.
Temiz ve verimli enerji üretimi açısından son derece ümit verici olan katı oksit yakıt pilleri, yakıt ve havanın elektrokimyasal reaksiyonu yoluyla elektrik üretirler ve yavaş yavaş Japonya genelinde konut ve ofis binalarında uygulanmaya başlanmıştır.
Tipik bir yakıt hücresinde, yakıt hücresinin bir tarafındaki oksijen molekülleri önce elektron alır ve oksit iyonlarına ayrışır. Oksit iyonları daha sonra elektrolitten cihazın diğer tarafına geçer ve burada yakıtla reaksiyona girer ve fazla elektronları serbest bırakır. Bu elektronlar, dış tellerden başlangıç sonuna kadar akar, devreyi tamamlar ve tellere bağlı her şeye güç sağlar.
Bu genel reaksiyon iyi bilinmesine ve nispeten basit olmasına rağmen, genel reaksiyon oranını sınırlayan reaksiyon adımları hala tartışmalıdır çünkü elektrotun karmaşık yapısı (genellikle basit bir düzlemden ziyade gözenekli bir malzeme) araştırmayı engeller. Atom düzeyinde fenomen. Cihazda meydana gelen reaksiyonlar hakkında ayrıntılı bilgi, yakıt hücresinin performansını ve dayanıklılığını daha da iyileştirmek için çok önemli olduğundan, zorluk mikroyapıyı - atomların farklı arayüzlerdeki düzenini - ve bu düzenlemenin reaksiyonu nasıl etkilediğini anlamakta yatmaktadır.
Kyushu Üniversitesi INAMORI Frontier Araştırma Merkezi'ndeki araştırmayı yöneten ekip lideri Michihisa Koyama, "Bilgisayar simülasyonu, atomik veya moleküler ölçekte kolayca gözlemleyemediğimiz reaksiyonları tahmin etmede ve anlamada önemli bir rol oynuyor" dedi.
"Ancak, çoğu çalışma hesaplama maliyetlerini azaltmak için basitleştirilmiş yapılar benimsemiştir ve bu sistemler gerçek dünyadaki karmaşık yapıları ve davranışları yeniden üretemez."
Koyama'nın ekibi, elektrotların aktif pozisyonlarındaki atomların gerçek konumlarının mikroskobik gözlemlerine dayanarak, anahtar arayüzlerin gerçek modellerine hassas parametre simülasyonları uygulayarak bu eksikliklerin üstesinden gelmeyi hedefliyor.
Kyushu Üniversitesi Ultramikroskopi Araştırma Merkezi'nden yararlanan araştırmacılar, atomik çözünürlüklü elektron mikroskobu kullanarak yakıt hücresi tabakasının atomik yapısını dikkatlice gözlemlediler. Bu gözlemlere dayanarak, araştırmacılar daha sonra gözlemledikleri iki temsili düzenleme için aynı atom yapısının bir bilgisayar modelini yeniden oluşturdular.
Ardından, bu sanal yakıt hücrelerindeki hidrojen ve oksijen arasındaki reaksiyonu simüle etmek için reaktif kuvvet alanı moleküler dinamikleri adı verilen bir yöntem kullanın; bu, atomların tamamen etkileşime girmek yerine, kimyasal reaksiyonlarda bile nasıl etkileşime gireceğini tahmin etmek için bir dizi parametre kullanır. . Kesin kuantum kimyası hesaplamalarının karmaşıklığı. Bu durumda, araştırmacılar Tokyo Üniversitesi'ndeki Yoshitaka Umeno ekibiyle birlikte geliştirilen iyileştirilmiş bir dizi parametre kullandı.
Araştırmacılar, farklı model sistemler üzerinde çok sayıda simülasyon çalışmasının sonuçlarını gözlemleyerek, istenen reaksiyonun daha küçük gözenek boyutlarına sahip katmanlarda meydana gelme olasılığının daha yüksek olduğunu buldular.
Ek olarak, oksijenin toplu katman boyunca performansı ve dayanıklılığı azaltabilecek bir şekilde hareket ettiği yeni bir reaksiyon yolu belirlediler. Bu nedenle, araştırmacılar gelişmiş yakıt hücreleri tasarladıklarında, bu potansiyel reaksiyon yolundan kaçınmak için stratejiler düşünmelidirler.
Koyama, "Bunlar, ancak gerçek dünya sistemlerini gözlemleyerek elde edebileceğimiz içgörülerdir," yorumunu yaptı. "Gelecekte, laboratuvarda kolayca ölçemediğimiz ve gözlemleyemediğimiz olayları anlamak için simülasyonların temeli olarak mikroskop gözlemlerinden yeniden oluşturulan gerçek atomik yapıları daha fazla insanın kullandığını görmeyi umuyorum."
