Химики изготовили и испытали новую ячейку электролита из твердого оксида

15:43, 17 сентября 2018

Результаты исследования опубликованы в Журнале химии материалов

Схема улучшения производства водорода (с точки зрения сокращения двуокиси углерода) с PCECs за счет участия водяного пара со стороны катода. Фото: Journal of Materials Chemistry A

Исследователи химико-технологического института УрФУ и института высокотемпературной электрохимии УрО РАН Николай Данилов, Артем Тарутин, Юлия Лягаева, Геннадий Вдовин и Дмитрий Медведев разработали новые электрохимические ячейки для электролиза воды в присутствии углекислого газа. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

«Была успешно изготовлена и испытана новая ячейка электролита из твердого оксида на основе высокоэффективных и устойчивых к CO₂ материалов, протонопроводящего электролита и кислородного электрода, — поясняется в статье. — Для этой ячейки наблюдались необычные характеристики, приводящие к усиленному улучшению, когда восстановительная атмосфера была обогащена СО₂».

Также авторы сформулировали возможный механизм, с помощью которого можно объяснить это поведение. В целом по результатам проведенного исследования выяснилось, что ячейки работают лучше в жестких условиях — при повышенной концентрации углекислого газа.

Если электролиз происходит в присутствии углекислого газа, то часть электронов тратится на восстановление этого вещества. Тогда результатом электролиза становится так называемый синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода. Синтез-газ — это что-то вроде полуфабриката топлива: в дальнейшем его можно, например, превратить в жидкие углеводороды. Получение синтез-газа электролизом воды — перспективный процесс, который одновременно позволяет избавиться от углекислого газа и получить топливо. Кстати, сейчас ученые разрабатывают похожие ячейки, которые могли бы работать от солнечной энергии, — тогда процесс будет вдвойне экологичным.

Цель исследования химиков УрФУ и УрО РАН — выбрать наилучший твердый электролит для ячеек. Этот материал должен обеспечивать хорошую проводимость протонов и одновременно быть стабильным в атмосфере СО₂ при температуре 700 градусов Цельсия. В результате проведенного исследования авторы статьи получили материал, проводимость которого оказалась выше, так как протоны меньше «застревали» на границах зерен (отдельных кристаллов в поликристаллическом материале), поэтому и финальные ячейки работали лучше. Стабильность тоже была на высоком уровне: за десять часов работы ячейки потеряли всего 0,7 % эффективности. Впрочем, для промышленного применения этот параметр предстоит еще улучшать.

Более того, ячейки работали даже лучше в более «жестких» условиях, когда атмосфера была дополнительно обогащена углекислым газом: избыток СО₂ подавлял некоторые нежелательные процессы на катоде, в результате чего удавалось достичь оптимального сопротивления и плотности тока, то есть лучшей эффективности ячеек.

Текст подготовлен по материалам портала «Чердак»