Ny förståelse om väteinnehållande material för energi

Forskningsprojekt, 2011 – 2016

Väte är det vanligaste grundämnet i universum och spelar en nyckelroll inom ett flertal forskningsområden. Exempel på sådana är bränsleceller, som producerar elektricitet genom att omvandla vätgas och syre till vatten, och material som kan lagra vätgas som bränsle till dessa apparater. Bränslecellen, i kombination med effektiv och säker lagring av väte, är en av de mest lovande teknikerna för miljövänliga tillämpningar inom transportsektorn och därför för ett mer hållbart samhälle i stort. Det har dock visat sig svårt att kommersialisera teknologin då det återstår att lösa ett flertal materialtekniska problem. För bränsleceller, som fungerar genom att väteatomers kärnor (protoner) transporteras genom en så kallad elektrolyt, har det varit svårt att utveckla elektrolyter med tillräckligt hög protonledningsförmåga, medan det för lagringsmaterialen har varit svårt att uppfylla kraven på hög densitet och snabb absorption/desorption av väte vid praktiska förhållanden av tryck och temperatur. För att kunna förbättra protonledningsförmågan och absorptions/desorptions-egenskaperna i dagens material, och för att kunna identifiera nya material med bättre egenskaper, är det viktigt att ha en grundläggande förståelse om hur protonerna rör sig (dvs. dess dynamik), och om på vilket sätt absorptionen/desorptionen av väte sker, samt hur dessa egenskaper beror på materialets struktur. Den nuvarande förståelsen om relationen mellan struktur och dynamik är dock klart begränsad och det återstår därför mycket forskning innan vi kan systematiskt utveckla nya material med mer fördelaktiga egenskaper. Min forskningsplan är därför att systematiskt undersöka sambandet mellan struktur och protonernas rörelser, respektive absorptions/desorptions-egenskaper av väte, i några av de mest lovande elektrolyter och lagringsmaterial. Studierna på protonledande material kommer att fokuseras på oxider med så kallad perovskitstruktur samt på en ny typ av material kallade hydrerade alkali svavel-hydroxidgermanater, medan studierna på lagringsmaterial kommer fokuseras på metallhydrider. Undersökningarna kommer att genomföras med användande av ett flertal komplementära tekniker, där de viktigaste verktygen kommer vara neutronspridnings- och synkrotronljusspridnings-metoder samt vibrationsspektroskopi. Utifrån den nya kunskapen kommer jag utveckla en förstålese för vad som påverkar protonledningsförmågan, samt absorptions/desorptions-egenskaperna av väte, i de studerade materialen och därigenom systematiskt kunna leda syntesen mot nya, bättre, material. Den nya kunskapen kommer inte bara vara viktig för de två materialklasserna i fråga utan kommer också vara värdefull för att förstå diffusions- och absorptions-mekanismer i fasta material i allmänhet. Neutronspridnings- och synkrotronljusspridnings-experimenten kommer att utföras vid internationella forskningsanläggningar, sådana som ILL och ESRF i Grenoble (Frankrike), och MAX-lab i Lund, medan studierna med vibrationsspektroskopi kommer att utföras på Chalmers. Tillgängligheten till den stora instrumentparken samt en hög kompetens inom jonledande material på Chalmers formar en unik miljö för den planerade forskningen. Parallellt kommer jag också driva utvecklingen av en ny typ av metod för strukturstudier med neutrondiffraktion som i ett längre perspektiv kommer att användas vid den kommande neutronforskningsanläggningen, European Spallation Source, i Lund. Tekniken bygger på att man polariserar de magnetiska riktningarna i neutronerna och vätekärnorna, med följden av att bakrundsbruset omvandlas till användbar signal. Våra första resultat är mycket lovande och öppnar upp för studier som kan leda till annars oåtkomlig information om väteatomers roll i väteinnehållande material.