Naukowcy z Departamentu Energii przy Oak Ridge National Laboratory (ORNL) opracowali “gąbkę”, która z łatwością absorbuje i zwalnia atomy tlenu w niskich temperaturach. Materiał z takimi właściwościami może być przydatny przy produkcji akumulatorów, czujników i przetworników gazu oraz ogniw paliwowych.
Materiały zawierające atomy, które mogą “przełączać się” pomiędzy wieloma stopniami utleniania są z technicznego punktu widzenia bardzo ważne, lecz bardzo rzadko spotykane w przyrodzie, powiedział Ho Nyung Lee, jeden z naukowców ORNL, który opublikował swoje badania w czasopiśmie Nature Materials.
“Większość elementów układu okresowego zazwyczaj posiada stabilny stopień utlenienia. Obecnie nie znamy wielu materiałów, w których atomy łatwo zmieniają stopień utlenienia. My znaleźliśmy substancję, która może odwracalnie je zmieniać w stosunkowo niskich temperaturach bez degradacji termomechanicznej, co jest intrygującym zjawiskiem” – dodaje Lee.
Większość urządzeń magazynujących energię oraz czujników działa na zasadzie reakcji redoks. Reakcja redoks to każda reakcja chemiczna, w której dochodzi zarówno do redukcji jak i utleniania. W praktyce każda rzeczywista reakcja, w której następuje zmiana stopnia utlenienia atomów lub ich grup jest reakcją redoks, gdyż każdej reakcji redukcji musi towarzyszyć reakcja utlenienia i na odwrót.
Przykładem mogą być katalizatory gazów zbudowane z platyny, które przekształcają szkodliwe substancje, takie jak tlenek węgla w nietoksyczne gazy przez dodanie tlenu. Tańsze, alternatywne metody zwykle wymagają bardzo wysokich temperatur (co najmniej 600-700 stopni Celsjusza) aby wywołać reakcje redoks. Dlatego materiały są niepraktyczne w tradycyjnych zastosowaniach.
“Wykazaliśmy, że nasze wielowartościowe “gąbki” tlenowe mogą przeprowadzać reakcje redoks w temperaturze około 200 stopni Celsjusza, co jest porównywalne temperaturami pracy katalizatorów z metali szlachetnych. Z pewnością, nasz materiał nie od razu trafi do samochodów, ale odkrycie pokazuje, że wielowartościowe tlenki mogą odgrywać kluczową rolę w przyszłych technologiach energetycznych” – powiedział Lee.
Tym interesującym materiałem jest SrCoOx. Materiał został wytworzony jako dwie odrębne fazy krystaliczne – perowskit SrCoO3−δ i brownmilleryt SrCoO2.5. Poprzez epitaksjalny proces stabilizacji, naukowcy z ORNL opracowali przepis syntezy materiału do bardziej pożądanej formy – perowskitu. Epitaksja to technika wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża.
Co ważne obie fazy mają różne właściwości fizyczne. Jedna jest przewodnikiem, druga izolatorem. Naukowcy poprzez zmianę ciśnienia w czasie krótszym niż 1 minuta potrafią “przełączyć” właściwości elektromagnetyczne materiału na przeciwne w stosunkowo niskich temperaturach (200-300°C).
Podczas badań, międzynarodowy zespół projektowy testował nowy materiał m.in. w Argonne National Laboratory i ORNL.
Źródło:
[1] http://oakridgetoday.com/2013/08/29/ornl-grown-oxygen-sponge-presents-path-better-catalysts-energy-materials/#more-28536 | 30.08.2013
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3736.html | 30.08.2013
[3] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/extref/nmat3736-s1.pdf | 30.08.2013
[4] http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i9/e097401 | 30.08.2013
[5] The thermite reaction in action by Duncan Hull (dullhunk), flickr.com, CC BY 2.0