Ученые синтезировали твердый электролит, который станет основой для создания твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Новый материал будет обладать высокой электрической проводимостью и удешевит производство ТОТЭ. Исследование выполнено научной группой Уральского федерального университета (УрФУ) и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Твердооксидные топливные элементы — это устройства в водородной энергетике, которые в ходе химической реакции преобразуют энергию топлива в электрическую. Они заменяют ископаемые источники топлива, снижая тем самым негативное влияние на атмосферу и климат. ТОТЭ применяют в автомобильных двигателях или космической промышленности для снижения выброса углеводорода в окружающую среду. Электролитом (проводником электрического тока) в них обычно выступают протоны или кислород.

«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. 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», — поясняет соавтор исследования, доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ Наталия Тарасова.

Получить новый материал исследователям позволил метод изовалентного допирования, то есть замещения части атомов исходной структуры атомами другого химического элемента той же валентности. В этом случае за основу взят индат бария-лантана (соединение бария, лантана, индия и кислорода), где ученые заменили 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.

Топливные элементы на основе твердого электролита (протонного проводника) станут экономически выгодны для производства и по сравнению с другими твердотельными проводниками для ТОТЭ будут обладать более высокой электрической проводимостью. Материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой — уникальная разработка уральских ученых. До этого в качестве протонных проводников в основном изучали материалы со структурой перовскита (титаната кальция).

Рабочая температура протон-проводящих ТОТЭ примерно в полтора-два раза ниже, чем у кислород-проводящих, что удешевляет их производство и эксплуатацию. Однако, в отличие от ионов кислорода, протоны не содержатся в составе материала электролита ТОТЭ, а попадают туда из воздуха, содержащего пары воды. Соответственно, чем большее количество протонов будет способен «аккумулировать» материал электролита, тем выше будет его электрическая проводимость, а следовательно, и экономичность. Главным открытием ученых стало то, что материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой «аккумулируют» в разы большее количество протонов, чем материалы со структурой перовскита.

Результаты исследования опубликованы в международном журнале, посвященном вопросам водородной энергетики, International Journal of Hydrogen Energy.

Экспериментальная часть исследования проводилась в научной лаборатории водородной энергетики УрФУ, входящей в состав Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы». Создание и развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня проходят в рамках реализации Минобрнауки России национального проекта «Наука и университеты».