Синтезирован новый протонный проводник для твердооксидных топливных элементов

Ученые Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН синтезировали протонный проводник — твердый электролит, в котором положительно заряженные частицы, содержащие водород (протоны), являются носителями тока. Он обладает высоким уровнем электрической проводимости и может стать основой для создания твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Результаты исследования опубликованы в международном журнале, посвященном вопросам водородной энергетики International Journal of Hydrogen Energy. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственное задание № 075-03-2021-051/5).

Как сообщается, экспериментальная часть проводилась в научной лаборатории водородной энергетики УрФУ, входящей в состав Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы». Твердооксидные топливные элементы — это устройства, которые перерабатывают энергию топлива в электрическую в ходе химической реакции. ТОТЭ используют в водородной энергетике, они позволяют заменить ископаемые источники топлива и снизить их влияние на изменение климата и загрязнение воздуха. Такие элементы могут быть использованы в двигателях автомобилей или космической промышленности для снижения выброса углеводорода в окружающую среду. Топливные элементы на основе нового материала, разработанного учеными, потенциально экономически выгодны для производства и могут демонстрировать более высокую электрическую проводимость, по сравнению с другими твердотельными проводниками для ТОТЭ.

«Переход к экологически чистой водородной энергетике является одним из возможных путей решения проблемы загрязнения окружающей среды ископаемыми видами топлива. Протонно-керамические топливные элементы являются перспективной альтернативой углеводородным двигателям, так как сочетают высокую эффективность, гибкость в различных условиях работы и отличную производительность, — поясняет соавтор исследования, доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ Наталия Тарасова. — В своей работе мы получили новый энергоэффективный материал, в котором концентрация протонов увеличивается в два раза, а электрическая проводимость становится на два порядка выше. Стоит отметить, что такие результаты материал показывает при температуре в два раза более низкой, по сравнению с наиболее изученными на сегодня твердотельными кислородно-ионными проводниками. Понижение температуры увеличивает экономическую эффективность конечного электрохимического устройства».

Получить новый материал ученым позволил метод изовалентного допирования. Его впервые применили для улучшения свойств исследуемого вещества. Оказалось, что именно благодаря этому методу достигаются высокие показатели. Изовалентное допирование означает замещение части атомов исходной структуры на атомы другого химического элемента той же валентности. В данном случае за основу взят индат бария-лантана (соединение бария, лантана, индия и кислорода), где ученые заместили половину атомов индия на иттрий.

«Твердотельные протонные проводники, которые могут применяться в ТОТЭ, внедряют в себя протоны из влажного воздуха, то есть из воды, содержащейся в нем. Иттрий обладает большим радиусом, по сравнению с индием, и при введении как бы “раздвигает” кристаллическую решетку исходного материала. Это позволяет измененной решетке “аккумулировать” в два раза больше протонов из увлажненной атмосферы», — добавляет Наталия Тарасова.

Материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой являются уникальной разработкой уральских ученых. До их открытия в качестве протонных проводников изучали в основном материалы со структурой перовскита (титаната кальция). Сейчас коллектив занимается подбором и тестированием такого состава твердотельного протонного проводника, который в перспективе станет основой для высокопроизводительного и экономически доступного протонного топливного элемента для экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики.

На иллюстрации - изображение образца материала, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото: International Journal of Hydrogen Energy.