En av de store utfordringene med teknologien er å øke levetiden. Det kan oppnås ved å redusere driftstemperaturen og bedre den kjemiske og mekaniske stabiliteten til materialene som inngår.
Prosjektet har et mål om å øke vår fundamentale forståelse av forhold som begrenser levetid og ytelse i protonledere laget av faste metalloksider som benyttes i teknologiene nevnt over. I dette arbeidet vil man benytte nylig etablert teori om ladede korngrenser og overflater kombinert med modeller for romladningsfordelingen fra grenseflatene og inn i kornene. Beregningene vil bli brukt i kombinasjon med avansert materialsyntese, og påfølgende karakterisering ved bruk av relevant nasjonal infrastruktur og i samarbeid med fremragende internasjonale grupper.
Prosjektet tar utgangspunkt i dagens mest studerte protonledende elektrolyttsystem som et modellmateriale, bariumzirkonat. Atomistiske beregninger ved bruk av DFT (Density Functional Theory) og romladningsmodeller blir brukt for å forstå stabiliteten, bevegelsesmønstre og konsentrasjon av punktdefekter i grense- og overflater og i oksidets korn, og adsorpsjonen fra gassfasen på overflaten. Denne kunnskapen er nødvendig for å forstå viktige transportprosesser i materialene og hva som kontrollerer utveksling av hydrogen mellom gassfase og fast fase.
Kunnskapen som utvikles ved studiet av modellmaterialet og andre metalloksider i prosjektet forventer man kan overføres på andre grenseflater og oksidsystemer, f.eks. kombinasjoner av elektrolytt-elektrolytt og elektrolytt-elektronisk leder.
For de eksperimentelle transportstudiene vil man bygge en ny testenhet. Et nytt renrom ved SINTEF (SONATE) og keramiske laboratorier ved NTNU benyttes ved fremstilling av materialer og komponenter for prosjektet.
Foreløpige studier er gjennomført for å utvikle en oksygen-elektrode på elektrolytt av bariumzirkonat for brenselceller og elektrolysører. Elektrodematerialet er en nanostrukturert perovskitt som forventes å ha både proton- og elektron-ledningsevne. En stor litteraturstudie av aktuelle metoder for å fremstille multifunksjonelle materialer med kontrollert porøsitet er utført og benyttet ved valg av fremstillingsprosess og påfølgende karakteriseringsmetoder for å beskrive materialenes mikrostruktur.
En meget vellykket FOXCET Workshop i mars 2015 med tema bariumzirkonat-baserte elektrolyttmaterialer samlet toppforskere fra mange land. En ny Workshop med temaene HMS (Helse Miljø og Sikkerhet) og ELSA (Ethical, Legal, Social Aspects) relatert til materialforskningen vil bli arrangert i november 2015 med bidrag fra norske og utenlandske eksperter. Prosjektet har også startet samarbeid med et institutt i Spania, CSIC-ICN, for å fremstille tynne oksidmaterialer med PLD (Pulsen Layer Deposition) som skal benyttes til å studere effekten av mekaniske belastninger på elektriske egenskaper.
Det nasjonalt koordinerte NANO2021-prosjektet FOXCET (Functional oxides for clean energy technologies: fuel cells, gas separation membranes and electrolysers) har 3 partnere: SINTEF, NTNU og Universitetet i Oslo. Tre PhD kandidater og to post doktorer arbeider i prosjektet sammen med forskere ved de tre institusjonene. NANO2021 er forskningsrådets Store satsing på nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer for perioden 2012–2021.
Mer info om prosjektet finner du på Forskningsrådets nettsider i prosjektbanken
Publikasjoner
Sazinas, Rokas; Bernuy-Lopez, Carlos; Einarsrud, Mari-Ann; Grande, Tor
"Effect of CO2 Exposure on the Chemical Stability and Mechanical Properties of BaZrO3‐Ceramics", Journal of The American Ceramic Society 2016; Volume 99 (11) p. 3685-3695
DOI: 10.1111/jace.14395 - CRIStin
Bernuy-Lopez, Carlos; Høydalsvik, Kristin; Einarsrud, Mari-Ann; Grande, Tor,
Effect of A-Site Cation Ordering on Chemical Stability, Oxygen Stoichiometry and Electrical Conductivity in Layered LaBaCo2O5+d Double Perovskite. Materials 2016 ;Volume 9.(3) p. 154-
DOI: 10.3390/ma9030154 - CRIStin
Polfus, Jonathan M.; Fontaine, Marie-Laure; Thøgersen, Annett; Riktor, Marit; Norby, Truls and Bredesen Rune,
Solubility of transition metal interstitials in proton conducting BaZrO3 and similar perovskite oxides, J. Mater. Chem. A, 2016,4, 8105-8112,
DOI: 10.1039/C6TA02377K - CRIStin
Polfus, Jonathan M.; Bjørheim, Tor S.; Norby, Truls and Bredesen, Rune,
Surface defect chemistry of Y-substituted and hydrated BaZrO3 with subsurface space-charge regions. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7437–7444,
DOI: 10.1039/c6ta02067d - CRIStin
Polfus, Jonathan M.; Norby, Truls and Bredesen, Rune,
Proton segregation and space-charge at the BaZrO3 (0 0 1)/MgO (0 0 1) heterointerface. Solid State Ionics 297 (2016) 77-81,
DOI: 10.1016/j.ssi.2016.10.010 - CRIStin
