Thermodynamics and transport of protons in functional oxides

Abstract

Nye funksjonelle materialer er essensielle komponenter i fremtidens energiteknologi. Gruppe for faststoff elektrokjemi ved Kjemisk Institutt, Universitetet i Oslo, har i en årrekke ledet an i forskning på keramiske materialer som selektivt leder protoner, dvs. hydrogen uten sitt ene elektron. I en brenselcelle, hvor elektrisk energi dannes fra hydrogen-rikt brensel og luft, med vann som produkt, kan disse materialene bli sentrale. Disse keramiske materialene er bygd opp av små tettpakkede korn. I doktorgradsarbeidet ”Thermodynamics and transport of protons in functional oxides” har protonenes transport over korngrensene vært en sentral del. Her ble det funnet ut at en opphopning av positive ladninger inne i korngrensen danner en barriere for protonledningsevnen. En god keramisk protonleder beholder en høy konsentrasjon av protoner opp til en relativt høy temperatur. Den termodynamiske parameteren som reflekterer dette kalles hydratiseringsentalpien. De eksperimentelle metodene for å finne denne entalpien er kompliserte og indirekte og derfor ofte unøyaktige. Under doktorgradsarbeidet er det utviklet en ny metode der entalpien blir målt direkte og mer nøyaktig. Denne teknikken innebærer bruk av et kombinert termogravimetrisk og kalorimetrisk instrument koblet sammen med en dampgenerator. Resultatene kan hjelpe til å identifisere nye kandidater for protonledende materialer. I oppgaven ble også hydrogenets rolle i sinkoksid undersøkt. Sinkoksid er interessant for bruk i lysdioder og solceller, og derfor et grundig studert materiale. Undersøkelse ved både termoelektriske og elektriske målinger viste at de elektriske egenskapene ble kontrollert av mengden hydrogen løst i oksidet. Videre viste det seg at løst hydrogen ved høye temperaturer ikke ble skilt ut av prøven, men ”fryst inne” under avkjøling. Dette førte videre til en redusert mobilitet for elektronene. Resultatene fra denne undersøkelsen viste at det er avgjørende for oksidets elektriske egenskaper å kontrollere mengden hydrogen i omgivelsene under framstilling.