Yttria-Stabilized Zirconia and Gadolinia-Doped Ceria Thin Films for Fuel Cell Applications

POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNINGGenom historien har människan alltid strävat efter att förbättra sina levnadsvillkor genom att förbättra eller utveckla nya verktyg och material.Utvecklingen av nya material har i hög grad påverkat civilisationen uppkomst, vilket framgår av det sätt som vi nu namnger perioderna i mänsklighetens historia efter de material som använts, till exempel sten-, brons-och järnålder.Idag lever vi i ett högt utvecklat samhälle med många fördelar som bygger på de framsteg som gjorts genom historien.Vi har fortfarande många utmaningar att lösa inom en snar framtid för att kunna upprätthålla vår levnadsstandard.Därför är det alltid viktigt att forska och utveckla nya material.Ett av de problem vi har i dag är den höga konsumtionen av fossila bränslen, som dels ger stora mängder koldioxidutsläpp som bidrar till den globala uppvärmningen och dels kommer att ta slut någon gång.För att åtgärda detta problem är det nödvändigt att utveckla teknik för att förbättra energiförsörjningen.Bränsleceller är ett effektivt och miljövänligt sätt att producera el.En bränslecell producerar el och värme, när de matas med syrgas och bränsle (exempelvis vätgas, biobränslen, eller för delen fossila bränslen).Själva namnet bränslecell är ganska missvisande, eftersom det inte sker någon konventionell förbränning i cellen.Istället är det en direkt omvandling av energin i de molekyler som ger elektricitet.Denna omvandling kan göras mycket effektivt och därmed kan vi utnyttja bränslet bättre än vid förbränning.Det finns flera olika typer av bränsleceller, men gemensamt för dem alla är att de består av tre delar: en katod, en anod och en elektrolyt.Bränslet tillförs vid anoden medan syre tillsätts katoden.Elektrolytens uppgift är att separera katoden från anoden, samtidigt som det kan drivas en ström mellan dem.Jag har utvecklat elektrolytmaterial för den typ av bränslecell som kallas fastoxidbränsleceller.Namnet kommer av det faktum att elektrolyten är ett oxidmaterial.Denna typ av bränslecell skiljer sig från andra genom att flödet genom elektrolyten består av syrejoner.Samtidigt som syre går genom elektrolyten från katoden till anoden, går ett flöde av elektroner i den motsatta riktningen genom en extern krets.Det är denna ström som kan användas för att driva elektriska apparater.Fastoxidbränsleceller är en av de mest effektiva typerna av bränsleceller, men tyvärr kräver de mycket höga temperaturer (800 -1000 °C), vilket gör det mycket dyrt eftersom material som tål så höga temperaturer är dyra.Min forskning har fokuserat på att utveckla material som kan sänka driftstemperaturen, vilket gör det möjligt att producera billiga bränsleceller eftersom tekniken då blir lönsam.I denna avhandling har jag studerat möjligheten till industriell produktion av tunna filmer av två material.Det första materialet, som kallas yttria-stabiliserad zirkoniumoxid (YSZ i kortform), är en oxid bildad av syre och metallerna zirkonium och yttrium.YSZ är det vanligaste elektrolytmaterial i fastoxidbränsleceller.Genom att göra elektrolyten är mycket tunn kan iii driftstemperaturen för bränslecellen sänkas och tekniken göras lönsam.Det andra materialet jag har studerat är cerium-gadoliniumoxid (förkortat CGO), vilket som namnet antyder är en oxid av de sällsynta jordartsmetallerna cerium och gadolinium.CGO används som en barriär mellan YSZ-elektrolyten och nyutvecklade och effektiva katodmaterial.Sådana katoder innehåller den mycket reaktiva metallen strontium (Sr), som utan barriär skulle diffundera och reagera med YSZ-elektrolyten och bilda strontiumzirkonat som kommer att förhindra en jonström genom elektrolyten.De tunna lager av YSZ och CGO jag har jobbat med är några mikrometer tunna (dvs.några tusendels millimeter) och kallas tunna filmer.De produceras av en metod som kallas "sputtring".Sputtring betyder att material förångas med ett jonbombardemang på en källa och låta atomerna sätta sig på en yta, där en tunn film bildas.Processen sker i en vakuumkammare, där trycket är en miljarddel av atmosfärstrycket.I denna vakuumkammare bildas ett plasma, alltså en gas som huvudsakligen är joniserad.Genom att spänningssätta materialet som ska förångas, kan man få jonerna att bombardera materialet.Detta gör att atomerna lossnar och sedan kan kondenseras där du vill belägga en tunn film.Eftersom denna process sker på atomnivå, finns det flera knep för att påverka strukturen på den tunna filmen på så sätt få de egenskaper som du önskar.Det finns flera olika sputtringstekniker.Jag har använt två olika metoder, nämligen den mycket utbredd teknik som kallas "magnetronsputtring" och en relativt ny teknik som kallas "HIPIMS".Fördelen med HIPIMS är att man kan få mycket fler joner som bildas i plasmat, vilket betyder att beläggningsflödet kan styras.Dessa joner överför också mycket mer energi till den tunna filmen, vilket ger större möjligheter att påverka filmtillväxten.I mitt arbete har jag använt både industriell beläggningsutrustning och små laboratorieutrustningar. Mitt arbete har två huvudsakliga delar: studier av YSZ tunnfilmselektrolyter och studier av CGO-barriärlager.I studierna av YSZ har jag undersökt möjligheten att i industriell skala producera enhetliga YSZ tunna filmer över stora områden, vilket är nödvändigt för att kommersialisera processen.Dessutom har jag både i laboratorieskala och i industriell skala undersökt potentialen i HIPIMS teknik för att producera YSZ filmer av bättre kvalitet.I studierna av CGO har jag undersökt de mekanismer som är i spel när strontium diffunderar genom CGO.Detta är intressant eftersom om du vet hur diffusion sker så kan du bättre förhindra det.Dessutom har jag gjort CGO spärrskikt, tillämpat dem i verkliga bränsleceller och visat deras förmåga att förhindra strontiumdiffusion, något som förbättrar bränslecellerna elektricitetsproduktion. iv POPULÆRVIDENSKABELIG SAMMENFATNINGOp gennem historien har mennesket altid stræbt efter at forbedre sine levevilkår ved at forfine eller udvikle nye redskaber.Udviklingen af nye materialer har haft stor indflydelse på civilisationers opståen, hvilket tydeligt fremgår af den måde, vi i dag navngiver perioder i menneskets historie efter de materialer, som anvendtes, såsom sten-, bronze-og jernalder.I dag lever vi i et højtudviklet samfund med en masse goder, som bygger på de landvindinger, der er gjort gennem historien.Vi har dog stadig en række udfordringer, som må adresseres i nær fremtid for at opretholde en ønsket levestandard.Derfor er det til stadighed vigtigt at forske i udviklingen af nye materialer.Et af de problemer, vi har i dag, er det store forbrug af fossile brændstoffer, som dels udleder store mængder CO 2 , der dels bidrager til drivhuseffekten og dels slipper op på et tidspunkt.For at afhjælpe dette problem er det nødvendigt at udvikle teknologier til en bedre energiforsyning.Brændselsceller er en effektiv og miljøvenlig måde at fremstille elektricitet på.En brændselscelle producerer elektricitet og varme, når den tilsættes ilt (O 2 ) og et brændstof (f.eks.brint).Selve navnet brændselscelle er ret misvisende, idet der ikke sker en traditionel forbrænding i cellen, men derimod en direkte omdannelse af energien bundet i molekylerne til elektricitet.Denne omdannelse kan ske meget effektivt, og man kan derfor udnytte sit brændstof bedre.Der findes flere forskellige typer brændselsceller, men fælles for dem alle er, at de består af tre lag: en katode, en anode og en elektrolyt.Brændstoffet tilsættes ved anoden, mens ilt tilsættes katoden.Elektrolyttens opgave er at adskille katoden fra anoden, men samtidig sikre at der kan løbe en strøm mellem disse.Jeg har forsket i at udvikle elektrolytmaterialer til den type brændselscelle, som kaldes fastoxidbrændselscellen. Navnet kommer af, at elektrolytten er et oxidmateriale.Denne type brændselscelle adskiller sig fra andre ved, at strømmen gennem elektrolytten ikke består af ilt-ioner (O 2-).Samtidig med at der løber O 2-gennem elektrolytten fra katoden til anoden, sendes en strøm af elektroner den anden vej via et eksternt kredsløb.Det er denne strøm man kan bruge til at drive sine elektriske apparater.Fastoxidbrændselscellen er en af de mest effektive brændselscelletyper, men kræver desværre meget høje temperatur (800 -1000 °C), hvilket har gjort den meget dyr, da materialer, som kan klare så høje temperaturer, er dyre.Min forskning har drejet sig om at udvikle materialer, som kan sænke driftstemperaturen, og derved gøre det muligt at producere billige brændselsceller, så teknologien bliver rentabel.I denne afhandling har jeg undersøgt muligheden for industriel fremstilling af tynde film af to materialer.Det første materiale, kaldet ytrria stabiliseret zirkonia (i daglig tale YSZ), er en oxid dannet ud af ilt og metallerne zirkonium og yttrium.YSZ er det mest anvendte elektrolytmateriale i fastoxidbrændselsceller. Ved at lave elektrolytten meget tynd kan brændselscellens driftstemperatur sænkes, og teknologien gøres rentabel.v Det andet materiale, jeg har undersøgt, er cerium gadolinium oxid (forkortes CGO), der som navnet siger, er et materiale bestående af ilt og de sjældne jordarter cerium og gadolinium.CGO skal bruges som en barriere mellem YSZ-elektrolytten og nyudviklede og mere effektive katodematerialer.Det er nødvendigt, da disse katoder indeholder meget reaktivt strontium (Sr), der ellers vil diffundere og reagere med YSZ-elektrolytten og danne strontiumzirkonat, som vil forhindre en ion-strøm gennem elektrolytten.De tynde lag af YSZ og CGO som jeg har arbejdet med, er ganske få mikrometer tynde (dvs.få tusindedele af en millimeter) og kaldes tyndfilm.De er fremstillet ved en metode, som kaldes "sputtering".Sputtering går i alt enkelthed ud på, at man forstøver materiale til atomer fra en kilde og lader atomerne lægge sig på en overflade, hvorved en tyndfilm dannes.Processen foregår i et vakuumkammer, hvor trykket er en milliardtedel af atmosfæretrykket.I dette vakuumkammer danner man et plasma, hvilket e

Fetched live from OpenAlex and de-inverted. Abstracts are not stored in this database: the inverted indexes are 8.6 GB of the frame’s 9.3 GB of text, and the host has 13 GB free.