Ph.d.forsvar: Nu kan man se ind i en brændselscelle i funktion og følge hvordan den degraderer og går i stykker

fredag 15 dec 17

Kontakt

Salvatore De Angelis
Postdoc
DTU Energi
93 51 12 66

Ph.d. forsvar

Salvatore De Angelis forsvarede den 13. november sin ph.d.-afhandling: " Tracking Solid Oxide Cell Microstructure Evolution by High Resolution 3D Nano-Tomography".
Hovedvejleder: Seniorforsker Jacob Ross Bowen, DTU Energi, medvejleder seniorforsker Peter Stanley Jørgensen, DTU Energi, og CEO Erik Mejdal Lauridsen, Xnovo Technology.

Læger bruger rutinemæssigt røntgen til at se efter fx knoglebrud i kroppen. Postdoc Salvatore de Angelis og hans kolleger på DTU Energi gør det samme med keramiske brændselsceller. Med nye røntgenmetoder får de bedre og mere detaljerede billeder og film helt ned til mikro- og nanoskala.

”Vores interesse ligger i brændselscellers grundlæggende funktioner, hvordan de fungerer, og især hvordan og hvorfor de keramiske celler brydes ned. Mens læger bruger to- og tredimensionelle billeder til at undersøge menneskekroppen, kan vi tilføje en 4. dimension, nemlig tid og se på brændselscellers mikrostruktur, mens de er i funktion", forklarer postdoc ved DTU Energi, Salvatore de Angelis.

Keramiske brændsels- og elektrolyseceller er velegnede til effektiv og reversibel konvertering af kemisk til elektrisk energi og tilbage igen. Sådanne cellerne kan få en vigtig rolle for omstillingen til vedvarende energi, men cellernes begrænsede levetid hindrer deres udbredte brug.

Nedbrydningsmekanismerne tilskrives ændringer på mikro- og nanoskala i cellernes struktur. For nylig forsvarede Salvatore de Angelis sin ph.d.-afhandling "Tracking Solid Oxide Cell Microstructure Evolution by High Resolution 3D Nano-Tomography", hvori han viser, hvordan 3D-metoder kan bruges til at følge den mikrostrukturelle udvikling i en celle under drift, hvilket er afgørende for at forstå de komplekse fænomener, der er ansvarlig for cellernes degradering. For at kunne gøre det, udviklede han og teamet på DTU Energi en metodologi, som vha. af røntgenstråler skaber 3D-billeder af prøven med en opløsning ned til ca. 800 gange mindre end bredden af et menneskehår.

Teknikken, som kaldes ptykografisk tomografi, har forskerne brugt til at få ny indsigt i de processer, der forløber i brændselscellens anode.

En ny måde at tage røntgenbilleder
At kunne observere en brændselscelle i funktion og følge hvordan den nedbrydes og holder op med at virke, er til stor hjælpe for forskerne. Nu er de i stand til at finde ud af hvad der sker og hvornår det sker, i stedet for – som man normalt gør – at skulle skære den ødelagte celle op  og gætte sig til rækkefølgen af de begivenheder og påvirkninger, der medførte degraderingen. Imidlertid er ptykografi tidskrævende, siger Salvatore de Angelis – idet en enkelt skanning kan tage mange timer – og derfor kunne han kun analysere de indledende og de afsluttende faser af celleprocesserne. Så DTU Energi-teamet opfandt en ny røntgenbilledteknik kaldet røntgen-holo-tomografi.

Se 4D-film af en brændselscelle, der nedbrydes her

"Røntgen-holo-tomografi gør det muligt at lave 3D-billeder af brændselscellen på få minutter på bekostning af lavere opløsning. Vi kunne for første gang se udviklingen af oxiderende nikkelpartikler inden i cellen i 3D. Nu har vi en klarere forståelse af "hvordan det sker" og "hvorfor det sker", hvilket gør, at vi nu kan forsøge at undgå de uønskede effekter i selve celledesignprocessen", forklarer Salvatore de Angelis. En del af hans job var at lave og håndtere prøverne. Det var ikke let, da det kræver prøver fem gange mindre end bredden på et hår.

Undlad venligst at nyse
"Det kan være ganske udfordrende at håndtere prøver fem gange tyndere end et hår, især når man håndterer dem med pincet under et mikroskop. Prøverne er utrolig små, vi taler mikrostørrelse, så hvis man trækker vejret for kraftigt, flyver prøven væk. Man skal også passe på, hvilket tøj man har på. Statisk elektricitet kan overføres til pincetter og gøre dem tiltrækkende, og så risikerer man, at prøven klæber fast til pincetten og ikke kan bruges. Hver gang man mister en prøve, er det tre dages arbejde der er spildt."

I løbet af sit ph.d.-projekt rejste Salvatore de Angelis til udlandet for at benytte store partikelacceleratorer kaldet synkrotroner til at studere brændselscellerne., og hver gang skulle han passe godt på at ikke nyse, ikke at bære uld og ikke på anden måde forstyrre de meget små og skrøbelige prøver. Til gengæld endte han med veritable bjerge af data, mange terabyte (1 TB = 1000 GB) data, som han lavede om til film og siden sammen med kollegerne efterfølgende gennemgik for at finde nye interessante opdagelser.

”En ret kedelig, men også ret givende proces”, siger Salvatore de Angelis. "For når man har så mange data, taber man nemt fokus. Ofte bliver det et spørgsmål om mavefornemmelse og intuition for at du finder det eller de småbitte tegn, der starter en nedbrydningsproces, og her hjælpes vi meget af at kunne filme det."

Del af en større indsats
Hans ph.d.-projekt var del af Cinema-projektet, der var finansieret af Innovationsfonden. Projektet er en stor alliance mellem europæiske topuniversiteter og virksomheder om billeddannelse og modellering af materialer. "At være en del af det her har været godt og meget givende", siger Salvatore de Angelis.Efter at have forsvaret sin ph.d.-afhandling, er Salvatore de Angelis nu ansat som postdoc hos DTU Energi, hvor han fortsætter sin forskning i nedbrydningsmekanismer, men nu i batterier som led i MAX4ESSFUN-projektet.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.