Rubid to nowa nadzieja dla ogniw paliwowych. Japończycy o krok od rewolucji

Naukowcy z Instytutu Naukowego w Tokio ogłosili odkrycie nowego materiału na bazie rubidu (Rb), który może zrewolucjonizować technologię tlenkowych przewodników jonowych. Rb₅BiMo₄O₁₆, bo tak nazwano nowy związek, charakteryzuje się wyjątkowo wysoką przewodnością tlenkową oraz stabilnością chemiczną, co czyni go idealnym kandydatem do zastosowania w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC). To odkrycie opisane w Chemistry of Materials może umożliwić pracę ogniw paliwowych w niższych temperaturach, co z kolei pozwoli na obniżenie kosztów produkcji oraz zwiększenie trwałości tych urządzeń.

Dlaczego rubid?

Rubid (Rb) nie jest często spotykany w technologii ogniw paliwowych, jednak jego unikalne właściwości sprawiają, że może stać się kluczowym elementem przyszłych przewodników tlenkowych. W przeciwieństwie do innych metali alkalicznych, rubid jest drugim co do wielkości kationem (po cezie), co powoduje, że struktura materiału zawiera większe “wolne przestrzenie” umożliwiające swobodniejszy ruch jonów tlenu (O^2-).

Czytaj też: Japończycy stworzyli rewolucyjne ogniwo paliwowe. 40 razy lepsze od poprzednika

Zastosowanie rubidu w związku Rb₅BiMo₄O₁₆ pozwala na osiągnięcie niskiej energii aktywacji, co oznacza, że potrzebna jest mniejsza ilość energii do przemieszczenia jonów tlenu, co z kolei zwiększa efektywność przewodzenia. Struktura krystaliczna materiału charakteryzuje się dużą objętością wolnej przestrzeni, co ułatwia swobodny ruch jonów. Dodatkowo związek ten wykazuje wyjątkową stabilność chemiczną, nawet w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie temperatury czy wilgotne powietrze.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną. W przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów, które magazynują energię, ogniwa paliwowe wytwarzają prąd na bieżąco, wykorzystując reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy paliwem a utleniaczem. W przypadku SOFC tym utleniaczem jest najczęściej tlen, a paliwem mogą być różnorodne substancje, w tym wodór, gaz ziemny, biogaz, a nawet niektóre płynne węglowodory. Działanie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem opiera się na wykorzystaniu przewodników tlenkowych, które umożliwiają transport jonów tlenowych (O^2-) przez stałą ceramiczną elektrolitową membranę.

Ta elastyczność sprawia, że SOFC mają ogromny potencjał w kontekście transformacji energetycznej i przejścia na gospodarkę wodorową. Jednakże, aby mogły stać się realną alternatywą dla tradycyjnych źródeł energii, konieczne jest pokonanie kilku kluczowych wyzwań. Przede wszystkim, wysokie koszty produkcji wynikają z konieczności stosowania kosztownych materiałów, co utrudnia masową komercjalizację tej technologii. Dodatkowo, niska trwałość SOFC wiąże się z degradacją materiałów w wysokich temperaturach, co wpływa na stabilność i długoterminową efektywność ogniw. Kolejnym wyzwaniem jest wysoka temperatura pracy, sięgająca 600-1000^oC, co wymaga zastosowania zaawansowanych systemów chłodzenia oraz materiałów odpornych na działanie ciepła.

Japończycy przeprowadzili kompleksowe badania nad nowym materiałem, stosując zaawansowane symulacje komputerowe oraz przetestowali aż 475 różnych materiałów na bazie rubidu. Spośród nich najbardziej obiecującym okazał się Rb₅BiMo₄O₁₆, który osiągnął przewodność tlenkową na poziomie 0,14 mS/cm w temperaturze 300^oC. Wyniki te są imponujące, ponieważ przewodność ta jest 29 razy wyższa niż w przypadku powszechnie stosowanej cyrkonu stabilizowanego itrem (YSZ), co czyni Rb₅BiMo₄O₁₆ potencjalnym liderem w technologii przewodników tlenkowych.

Dodatkowo materiał wykazał wysoką stabilność chemiczną w różnych warunkach, w tym w przepływie CO₂, wilgotnym powietrzu, wilgotnym wodorze w azocie oraz w kontakcie z wodą w temperaturze pokojowej. Oznacza to, że nowy materiał jest nie tylko bardziej efektywny, ale także odporny na działanie trudnych warunków atmosferycznych, co czyni go idealnym kandydatem do zastosowań przemysłowych.

Jeśli dalsze badania potwierdzą wyniki osiągnięte przez japońskich naukowców, materiały na bazie rubidu mogą odegrać kluczową rolę w przyszłości czystej energii, przyczyniając się do globalnej transformacji energetycznej i zmniejszenia zależności od paliw kopalnych.