Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont une technologie prometteuse pour convertir proprement l'énergie chimique en énergie électrique. Mais leur efficacité dépend de la vitesse à laquelle les solides et les gaz interagissent à la surface des électrodes des appareils. Ainsi, explorer les moyens d'améliorer l'efficacité de la SOFC, une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Berkeley Lab a étudié un matériau d'électrode modèle d'une nouvelle manière - en exposant une facette différente de sa structure cristalline à l'oxygène gazeux à des pressions et températures de fonctionnement.

"Nous avons commencé par poser des questions comme, des vitesses de réaction différentes pourraient-elles être obtenues à partir du même matériau, juste en changeant la surface avec laquelle l'oxygène réagit ?", a déclaré Lane Martin, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Nous voulions examiner comment la configuration atomique à des surfaces spécifiques de ces matériaux fait une différence lorsqu'il s'agit de réagir avec l'oxygène gazeux."

Films minces d'un matériau de cathode SOFC commun, ferrite lanthane strontium cobalt (LSCF), ont été synthétisés pour exposer une surface orientée le long d'un plan cristallographique diagonal. Les mesures électrochimiques sur cette surface atypique ont donné des vitesses de réaction de l'oxygène jusqu'à trois fois plus rapides que celles mesurées sur le plan horizontal habituel.

Pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à cette amélioration, les chercheurs ont utilisé la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour sonder la «nouvelle» surface à des températures élevées et à différentes pressions d'oxygène. Les résultats ont révélé que différents plans cristallographiques stabilisent différentes chimies de surface, même si la chimie dans la majeure partie des films est inchangée.

« Exposer différentes surfaces à l'air peut conduire à des structures complètement différentes, chimies, et les concentrations de défauts à un point où ces surfaces ressemblent et agissent presque comme des matériaux différents, " dit Abel Fernández, un étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley et co-premier auteur de l'étude. « La prise en compte de nos résultats peut offrir aux fabricants un moyen relativement simple d'améliorer la réactivité des cathodes à base de LSCF sans les bases généralement nécessaires à l'utilisation de nouvelles chimies de matériaux. »