ย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษ 1960, นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเซรามิกชนิดหนึ่งซึ่งประกอบด้วยออกไซด์ของซิркоเนียม (ZrO2) เมื่อถูกเติมธาตุไอเทรียม (Y2O3) เข้าไปด้วยปริมาณน้อย จะแสดงสมบัติที่น่าสนใจอย่างยิ่ง
เซรามิกชนิดนี้รู้จักกันในชื่อ “yttrium-stabilized zirconia” หรือ YSZ และถือเป็นวัสดุระดับดาวที่โดดเด่นในวงการพลังงาน เนื่องจาก YSZ สามารถนำไฟฟ้าได้ดีที่อุณหภูมิสูง และมีความทนทานต่อความร้อนและสารเคมีที่แข็งแกร่ง
YSZ ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการลำเลียงไอออนออกซิเจน (O2-) ในเซลล์เชื้อเพลิงแบบโซลิดออกไซด์ (SOFC) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตพลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพสูง
YSZ นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการแปลงเชื้อเพลิง (เช่น ไฮโดรเจน, แก๊สธรรมชาติ) เป็นพลังงานไฟฟ้า
เซลล์เชื้อเพลิง SOFC ที่ใช้ YSZ ทำหน้าที่เหมือนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ โดยมีแก๊สเชื้อเพลิงที่ด้านหนึ่งและอากาศที่อีกด้านหนึ่ง
เมื่อเชื้อเพลิงถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก (anode) ไอออนออกซิเจนจะเคลื่อนย้ายผ่านตัวกลาง YSZ ไปยังขั้วลบ (cathode)
ที่นี่, ไอออนออกซิเจนจะรวมกับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างน้ำ (H2O) หรือคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลิตภัณฑ์
กระบวนการนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อให้พลังงานแก่บ้าน, รถยนต์ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
YSZ มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ที่มีประสิทธิภาพสูงและยั่งยืน
คุณสมบัติพิเศษของ YSZ:
| คุณสมบัติ | คำอธิบาย |
|---|---|
| การนำไฟฟ้าไอออน | YSZ สามารถนำพาไอออนออกซิเจน (O2-) ได้ดีที่อุณหภูมิสูง (600-1000°C) |
| ความทนทาน | ทนต่อการกัดกร่อนและสภาวะรุนแรง |
| การนำความร้อน | มีค่าการนำความร้อนต่ำ ซึ่งเป็นประโยชน์ในการควบคุมอุณหภูมิ |
YSZ มักจะถูกผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคการสังเคราะห์เซรามิก
กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการผสมผสานผงออกไซด์ของซิркоเนียมและไอเทรียม
จากนั้นผงจะถูกอัดขึ้นรูปเป็นแผ่นบางๆ หรือแท่ง
สุดท้าย ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะถูกเผาที่อุณหภูมิสูง (1400-1600°C) เพื่อทำให้เกิดการหลอมรวมของอนุภาคและสร้างโครงสร้างเซรามิกที่แข็งแรง
YSZ เป็นวัสดุที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมพลังงาน
ด้วยความสามารถในการนำไฟฟ้าไอออนสูง, ความทนทาน, และความเสถียร YSZ มีศักยภาพที่จะปฏิวัติการผลิตพลังงานสะอาดและมีประสิทธิภาพสูง
YSZ ยังสามารถนำไปใช้ใน
- เซ็นเซอร์ออกซิเจน: YSZ สามารถตรวจจับระดับออกซิเจนได้อย่างแม่นยำ
- ตัวเร่งปฏิกิริยา: YSZ ถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเคมีที่หลากหลาย
YSZ ถือเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงในอนาคตของพลังงาน
การวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องจะช่วยยกระดับประสิทธิภาพและลดต้นทุนการผลิต YSZ
นั่นหมายความว่าเราอาจเห็นเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ที่ใช้ YSZ มีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลง paradigm ของอุตสาหกรรมพลังงานในอนาคต.
