Атомарно точные модели помогут понять топливные элементы
Москва, 10:39, 22 Июл 2019, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.
Исследователи из Университета Кюсю провели симуляции, представившие новые данные о реакциях в твердооксидных топливных элементах. Ученые использовали реалистичные модели активных центров электродов с атомарным масштабом, взяв за начальную точку показания микроскопа.
Выводы проекта могут помочь повысить производительность и прочность ТЭ, сообщает eurekalert.org. Твердооксидные устройства производят ток за счет электрохимических реакций горючего с воздухом. Такие элементы уже начали внедрять в домах и офисах Японии.
В типичной системе молекулы кислорода на одной стороне получают электроны и расщепляются на ионы оксида. Они проходят сквозь электролит на другую сторону, где реагируют с топливом, выделяя дополнительные электроны. Эти частицы по проводам возвращаются в начало цепи, питая подключенное устройство. Процесс известен и достаточно прост. Но сложная структура электродов из пористых материалов мешала изучить феномен на атомном уровне.
«Компьютерные симуляции сыграли важную роль в прогнозировании и понимании реакций, которые сложно наблюдать в атомном или молекулярном масштабе, — сказал профессор Мичихиса Кояма, руководитель исследования. – Но большинство специалистов использовали упрощенные структуры для снижения затрат на вычисления. Такие системы не могут воссоздать архитектуру и поведение настоящих элементов».
Команда Коямы решила проблему, оптимизировав параметры ключевых границ сред моделей на основе микроскопических изображений. Они показали атомную структуру тонких срезов ТЭ, полученных с помощью электронной микроскопии. Ученые воссоздали ее в моделях, симулировав реакции водорода с кислородом. Для этого была привлечена группа Ёситаки Умено из Токийсого университета. Специалисты помогли оптимизировать параметры.
Симуляции показали, что необходимые реакции чаще возникают в слоях с меньшим размером пор. Ученые также определили новый реакционный канал миграции кислорода, способный повредить производительности и прочности. Необходимо учесть меры по его обходу в разработке ТЭ.
«Некоторые подробности узнаешь только от реалистичных систем, — объяснил Кояма. – В будущем, надеюсь, больше людей будет использовать реальные атомные структуры, воссозданные с помощью микроскопа, для понимания явлений, которые сложно изменить и наблюдать в лаборатории».
Результаты исследования представлены в Communications Chemistry.
