Atomik Olarak Hassas Olan Modeller Yakıt Hücrelerinin Daha İyi Anlaşılmasını Sağlıyor

Fotoğraf: Atomların katı oksit hücresinin bu bilgisayar modelindeki ilk konumları elektron mikroskobu kullanılarak gerçek atomik gözlemlere dayanıyordu. Bu modeli kullanan simülasyonlar daha önce bildirilmemiş bir reaksiyonu (kırmızı yol) ortaya çıkardı ve burada itriya dengeli zirkonyum katmanından (kırmızı ve açık mavi top katmanından) bir oksijen molekülünün, üzerinde OH oluşturmadan önce nikel katmanından (koyu mavi alan) hareket ettiği ortaya çıktı.  (Kaynak: Michihisa Koyama, Kyushu Üniversitesi)

Japonya’daki araştırmacılardan gelen simülasyonlar, başlangıç noktası olarak mikroskop gözlemlerine dayanan çalışmalarında elektrottaki aktif bölgenin gerçek atom ölçekli modellerini kullanarak katı oksit yakıt hücrelerinde meydana gelen reaksiyonlar hakkında yeni bir bakış açısı sağladı. Bu yeni anlayış gelecekteki cihazların performansının ve dayanıklılığının artırılması hakkında ipuçları verebilir. 

Temiz ve verimli elektriğin üretilmesinde umut veren katı oksit yakıt hücreleri yakıtın havayla elektrokimyasal tepkimesi sonucunda elektrik üretilmesini sağlıyor ve bu elektrik şu anda Japonya’daki binaların çoğuna dağıtılıyor. 

Tipik bir yakıt hücresinde yakıt hücresinin bir ucundaki oksijen molekülleri önce elektronları alır ve oksit iyonlarına ayrılır. Daha sonra bu iyonlar bir elektrolit boyunca cihazın diğer ucuna geçerek yakıtla reaksiyona girer ve reaksiyon sonucunda açığa çıkan fazla elektronlarını serbest bırakırlar. Bu elektronlar dış kablolar aracılığıyla başlangıç ucuna geri döner ve böylece devre tamamlanmış olup devreye bağlı cihazlar çalıştırılmış olur.  

Bu genel reaksiyonun iyi bilinmesine ve basit olmasına rağmen işlemin genel hızını sınırlayan reaksiyon aşaması tartışmalıdır. Bunun sebebi elektrotların karmaşık yapıya sahip olmalarıdır. Basit ve yüzeyleri düz olanların aksine bu elektrotlar gözenekli yüzeylere sahiptir ve bu da reaksiyonların atomik seviyede incelenmesini engeller. 

Cihazlarda meydana gelen reaksiyonlar hakkındaki ayrıntılı bilgi zorlukları, mikroskobik yapıları, atomların farklı arayüzlerde dizilmesi gibi reaksiyonları önemli ölçüde etkileyen özelliklerinden dolayı yakıt hücrelerinin performansının ve dayanıklılığının artırılması konusunda hayati önem taşır. 

Kyushu Üniversitesi INAMORI Frontier Araştırma Merkezi’nden araştırmaya liderlik eden Michihisa Koyama “Bilgisayar simülasyonları atomik veya moleküler düzeyde kolayca gözlemleyemediğimiz reaksiyonların sonuçlarının tahmin edilmesinde ve anlaşılmasında güçlü bir rol oynadı” dedi. 

“Ancak, birçok çalışma hesaplamaların maliyetini azaltmak için bu simülasyonların basitleştirilmiş yapılar olduğunu varsaydı ve bu sistemler gerçek dünyada meydana gelen karmaşık yapıları ve davranışları çoğaltamıyor.” 

Koyama’nın grubu bu problemin üstesinden gelebilmek için elektrotun aktif bölgesindeki atomların gerçek konumlarının mikroskobik  gözlemlerine dayanarak temel arayüzlerin gerçekçi modellerine inceltilmiş parametreli simülasyonlar uyguladı.  

Kyushu Üniversitesi’nin The Ultramicroscopy Research Center’inden yararlanan araştırmacılar, atom çözünürlüğüne sahip elektron mikroskobu kullanarak yakıt hücrelerinin inceltilmiş hallerinin atom yapısını gözlemledi. Bu gözlemlere dayanarak araştırmacılar gözlemledikleri iki temsili düzenleme için aynı atomik yapıya sahip bilgisayar modellerini yeniden yapılandırdılar. 

Bu sanal yakıt hücrelerindeki hidrojen ve oksijen arasındaki reaksiyonlar incelikli kuantum hesaplamalarının karmaşıklığına girilmeden birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini keşfedebilmek için bir dizi parametre kullanan Reactive Force Field Molecular Dynamics adı verilen bir yöntemle simüle edildi. Araştırmacılar bu durumda Tokyo Üniversitesi’nden Yoshitaka Umeno adlı bir grupla birlikte geliştirilen bir parametre seti kullandı. 

Farklı sistemlerdeki simülasyonların çoklu çalışmalarının sonuçlarına baktığımızda, araştırmacılar istenen reaksiyonların daha küçük gözenek boyutuna sahip katmanlar halinde gerçekleşmesi ihtimalinin beklenilenden yüksek olduğunu buldu. 

Buna ek olarak, oksijenin performansı ve dayanıklılığı potansiyel olarak düşürebilecek bir şekilde hacimli katmanlardan geçtiği yeni bir reaksiyon yolu belirlediler. Bu nedenle de, bu potansiyel reaksiyon yolunu önlemeye yönelik stratejiler, gelişmiş yakıt hücrelerinin tasarlanmasında göz önünde bulundurulmalıdır.  

Koyama “Bunlar yalnızca gerçek dünya sistemlerine bakarak elde edebileceğimiz anlayış türleridir. Gelecekte, laboratuvarlarda ölçemediğimiz ve gözlemleyemediğimiz olayları anlamak için simülasyonların ışığında mikroskop gözlemlerine dayanarak yeniden tasarlanmış gerçek dünyanın atom yapılarını kullanan daha fazla insan görmeyi umut ediyorum” dedi.  

Kaynak: phys.org