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Cataluminescence for efficient energy conversion on rare earth perovskites

English title Cataluminescence for efficient energy conversion on rare earth perovskites
Applicant Borgschulte Andreas
Number 190358
Funding scheme Spark
Research institution Mobilität, Energie und Umwelt Empa
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.12.2019 - 30.11.2020
Approved amount 100'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics

Keywords (5)

rare earth; energy conversion; cataluminescence; perovskite; methanol

Lay Summary (German)

Lead
Methanol ist ein attraktiver erneuerbarer Kraftstoff, der aus erneuerbarer Energie mit relativ hohen Wirkungsgraden nahe der theoretischen Grenze hergestellt wird. Zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Zyklus konzentrieren wir uns auf die Verbrauchsseite: In diesem Projekt wollen wir die sogenannte katalytisch induzierte Lumineszenz (Katalumineszenz) nutzen, um einen neuartigen Brennstoff-Elektrizitäts-Umwandler mit einem Wirkungsgrad von grösser 10% zu entwickeln.
Lay summary
In Vorversuchen konnten wir das Auftreten der Katalumineszenz bei Oxidation von Methanol auf metallischen Oberflächen aufzeigen; jedoch zeigen die Messungen, dass der relevante katalytische Prozess hauptsächlich auf dem metallischen Partikel stattfindet, d.h. die angestrebte nicht-thermische Energieübertragung findet auf solchen metallischen Partikel-Oxid-Systemen nur in geringem Umfang statt und die entsprechenden Wirkungsgrade bleiben gering. Um das katalumineszierende System zu verbessern, werden wir die Abhängigkeit der Energieübertragung vom elektronischen Zustand des Systems untersuchen, indem wir die besonderen Eigenschaften katalytisch aktiver quaternärer Perowskite wie RExTi0.95Ni0.05O3, die Seltene-Erden-Ionen (RE) mit maßgeschneiderter Lumineszenz enthalten, nutzen. Es ist bekannt, dass das System im oxidierten Zustand nicht leitend ist, aber bei der Reduktion bei hoher Temperatur Ni auf die Oberfläche austritt. So können wir den metallischen Zustand manipulieren und seinen Einfluss auf die katalytischen und lumineszierenden Eigenschaften untersuchen. Die Auswahl der Seltenerdelemente wird durch die Lumineszenzenergie bestimmt. Ziel des Projekts ist es, die Grundlage für eine neuartige Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Wirkungsgradpotential zu schaffen, das weit über dem etablierten Stand der Technik liegt. Wir streben vor allem danach, die wissenschaftlichen Kenntnisse zu erweitern, indem wir grundlegende Einblicke in das Phänomen der Katalumineszenz und der Verbrennungskatalyse gewähren, die auf andere Bereiche übertragen werden können. Wir stellen uns jedoch auch die industriellen/kommerziellen Auswirkungen des resultierenden Geräts vor. Eine interessante alternative Anwendung ist die Nutzung der Katalumineszenz als Forschungswerkzeug für die in-situ-Sondierung katalytischer Prozesse sowie die Prozesssteuerung bei der Verbrennung/katalytischen Umsetzung.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Methanol is an attractive renewable fuel, produced from renewable energy with relatively high efficiencies near to the theoretical limit. To further improve the total cycle efficiency, we focus on the consumption side: in this project, we aim to exploit catalytically induced luminescence (cataluminescence) to develop a novel fuel-to-electricity device with increased efficiency going beyond that of thermoluminescence devices. First experiments are promising, however, the measured cataluminescence from combustion of MeOH on metallic surfaces indicates that the relevant catalytic process takes place mainly on the metallic particle, i.e. the sought non-thermal energy transfer takes place on such metallic particle - oxide systems to a minor extent only and the corresponding efficiencies remain low. To improve the cataluminescent system, we will study the dependence of the energy transfer on the electronic state of the system using the peculiar properties of catalytically active quaternary perovskites such as RExTi0.95Ni0.05O3-d d, containing rare-earth ions (RE) with tailored luminescence. The system is known to be non-conducting in oxidized state, but exsolutes Ni onto the surface upon reduction at high temperature. Thus, we are able to manipulate the metallic state and investigate its influence on the catalytic as well as luminescent properties. The choice of rare earth elements is governed by luminescence energy. The goal of the project is to lay the foundation for a novel energy conversion device with a potential efficiency well above the established state-of-the-art. We strive mainly to enhance scientific knowledge by providing fundamental insight into the phenomenon of cataluminescence and combustion catalysis that can be transferred into other fields. However, we also envision industrial / commercial impact of the resulting device. An interesting alternative application is the use of cataluminescence as as a research tool for in-situ probing of catalytic processes as well as process control in combustion/catalytic conversion.
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