Материал для топливных элементов

26052022Учёные нашего института совместно с коллегами из Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН синтезировали протонный проводник — твёрдый электролит, в котором положительно заряженные частицы, содержащие водород, являются носителями тока. Он обладает высоким уровнем электрической проводимости и может стать основой для создания твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Такие элементы являются экологичной альтернативой углеводородным источникам энергии. Результаты исследования опубликованы в международном журнале, освещающий вопросы водородной энергетики International Journal of Hydrogen Energy.

 

Твёрдооксидные 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 учёными, потенциально экономически выгодны для производства и могут демонстрировать более высокую электрическую проводимость, по сравнению с другими твёрдотельными проводниками для ТОТЭ.

 

quotes 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 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 твёрдотельными кислородно-ионными проводниками. Понижение температуры увеличивает экономическую эффективность конечного электрохимического устройства». 

 

Получить новый материал учёным 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), в котором учёные заместили половину атомов индия на иттрий.

 

 

quotes Твёрдотельные протонные проводники, которые могут применяться в ТОТЭ, внедряют в себя протоны из влажного воздуха, то есть из воды, содержащейся в нём. Иттрий обладает большим радиусом, по сравнению с индием, и при введении как бы «раздвигает» кристаллическую решётку исходного материала. Это позволяет измененной решётке «аккумулировать» в два раза больше протонов из увлажнённой атмосферы» — добавляет Наталия Тарасова.

 

Материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой являются уникальной разработкой уральских учёных. До их открытия в качестве протонных проводников изучали в основном материалы со структурой перовскита (титаната кальция). Сейчас коллектив занимается подбором и тестированием такого состава твёрдотельного протонного проводника, который в перспективе станет основой для высокопроизводительного и экономически доступного протонного топливного элемента для экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики. Ранее учёные также выяснили, как меняются свойства проводника на основе индата бария-лантана при замещении некоторых атомов атомами бария и титана.

 

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание № 075-03-2021-051/5). Экспериментальная часть проводилась в научной лаборатории водородной энергетики УрФУ, входящей в состав Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы» (УМНОЦ). Коллектив лаборатории включает в себя ученых УрФУ и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН.

 

С сайта УрФУ. Фото Ильи Сафарова.

tg25