Ett litet steg för vetenskapen men ett stort steg för doktoranden

I veckan som gått nåddes jag av den glada nyheten att min första artikel (nåja, den första artikeln jag är med på - en kollega är synnerligen välförtjänt förste författare) har publicerats. Den handlar om bariumzirkonat och tänkbara förklaringar till varför korngränserna har så dålig protonledningsförmåga, som jag skrev om i mitt förra inlägg här.

I kort sammanfattning så har vi kollat på om så kallade syrevakanser gillar att sitta i korngränserna i bariumzirkonat och hur det i så fall påverkar protonerna. Syrevakanser är när en plats i materialet som borde ha innehållit en syreatom är tom. Syrejonen har en elektrisk laddning på minus två elementarladdningar eftersom den har två extra elektroner, så när den försvinner ser det ut som om tomrummet den lämnar är positivt laddat. Om syrevakanser har lägre energi i korngränsen än i resten av materialet, vilket de verkar ha, så kommer de att samlas där och korngränsen blir positivt laddad. Protonerna, som också är positivt laddade, kommer att stötas bort av den positiva korngränsen och får då svårt att ta sig förbi den vilket sänker ledningsförmågan.

Artikeln är, som de flesta vetenskapliga artiklar, tyvärr inte öppen för allmänheten. Man kan dock alltid läsa den korta sammanfattningen eller abstract.

Jakten på den perfekta elektrolyten

Ibland måste man stanna upp och fråga sig vad som är intressant med det man forskar på. Ibland ställer man frågan för att påminna sig själv och ibland måste man förklara det för andra - i inledningen på en artikel eller avhandling, till exempel. Jag har under en längre tid varit sysselsatt med att skriva på en artikel och har dessutom börjat skriva på min licentiatuppsats (licentiat = halvvägs till doktor) så jag borde veta vad det är som är intressant med bariumzirkonat. Nu ska vi se om jag kan skriva ner det här också.

Bariumzirkonat är framför allt intressant för att man tror att man ska kunna använda det som elektrolyt i bränsleceller. En bränslecell omvandlar den kemiska energin i ett bränsle (oftast vätgas) till elektrisk energi. Mer exakt så kommer vätgasen till anoden, där den delas upp i elektroner och atomkärnor som i fallet väte består av en enda proton. Elektronen färdas sedan genom en elektrisk krets, där den exempelvis kan driva en elmotor, till katoden. Där reducerar den syrgas till syrejoner. Vad som händer sedan beror lite på vilken sorts elektrolyt man använder. Om bränslecellen innehåller en protonledande elektolyt (som till exempel NAFION) kommer protonerna att ha färdats genom elektrolyten medan elektronerna gick genom kretsen. Då kan elektroner och protoner förenas med syre på katodsidan och försvinna iväg i form av vatten. Använder man istället en syrejonledare som yttrium-stabiliserad zirkoniumdioxid så vandrar syrejonerna istället över till anodsidan och förenas med protonerna där. Slutprodukten är även här vatten.

Så långt är allt väl... Problemet (eller ett av problemen) är temperaturen. NAFION och besläktade material fungerar bara under 100 grader Celsius eftersom de måste innehålla flytande vatten, vilket begränsar cellernas effektivitet. Syrejonledarna har bara tillräckligt hög ledningsförmåga över 800 grader Celsius, vilket är lite väl varmt att ha i exempelvis en bil. Den idealiska temperaturen ligger nånstans däremellan, i spannet 100-500 grader. Att bariumzirkonat är intressant beror på att materialet har potential att kunna leda protoner från anoden till katoden vid en lagom temperatur. Det finns dock en liten hake: Ledningsförmågan är bara tillräckligt bra där materialets struktur är nästan perfekt. I ett verkligt material är inte strukturen perfekt och framför allt vimlar det av så kallade kongränser, eller områden där kristallstrukturen byter riktning. De minskar protonledningsförmågan ganska kraftigt, och man vet inte riktigt varför - men vi försöker ta reda på det.