Ученые вуза открыли новый способ повышения устойчивости электролитов

10:41, 30 июля 2019

Результаты исследования можно применять при разработке альтернативных методов производства электроэнергии

Предложенная учеными УрФУ методика станет основой для будущих исследований. Фото: личный архив Наталии Тарасовой.

По оценкам ученых, при современном уровне потребления нефти и газа этих источников энергии человечеству хватит лишь на ближайшие 60 лет. Кроме того, выбросы продуктов сгорания углеводородного топлива приводят к серьезным последствиям. Один из альтернативных методов производства электроэнергии — использование твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Решению проблем, препятствующих широкому использованию топливных элементов на основе твердых оксидов, способствует исследование ученых Уральского федерального университета. Статья сотрудников кафедры физической и неорганической химии института естественных наук и математики Наталии Тарасовой и Ирины Анимицы опубликована в Journal of Alloys and Compounds.

«При использовании ТОТЭ мы сможем получать бОльшие объемы энергии при бОльшем сроке службы самого элемента, по сравнению с обычными батареями. Однако активное внедрение технологии останавливают температурные ограничения — их работа осуществима лишь при 500-700℃», — комментируют ученые.

В элементах на основе твердых оксидов электролит помещается между электродами — катодом и анодом. На анод подается водород, там он окисляется, то есть отдает электроны, оставаясь в виде «голого» положительно заряженного ядра — протона. Эти протоны проходят через электролит к катоду, где его ожидают молекулы кислорода. Туда же, на катод, по отдельной «выделенной линии», входящей в электрическую цепь, приходят электроны. Когда вся компания собирается вместе, происходит электрохимическое воздействие, в результате которого образуются вода, свет и тепло.

«В исследовании мы ищем способ предотвращения химического разрушения протонных электролитов в атмосфере углекислого газа и паров воды. Мы предлагаем использовать анионное допирование кристаллических структур, родственных перовскитам», — пояснила Наталия Тарасова.

Допирование — замещение части атомов в решетке атомами другого элемента. Рассмотрим структуру самой решетки. Состав твердых оксидов можно описать как А_yВ_zO_x, где O — это отрицательно заряженные ионы кислорода — анионы, а А и В — положительно заряженные ионы или катионы каких-либо элементов (индексы x, y и z обозначают количество атомов в молекуле). Ранее в большинстве исследований применялось катионное допирование — изменение А- и В-составляющих. В исследовании химиков УрФУ применен метод анионного допирования — экспериментаторы вносили не положительно, а отрицательно заряженную частицу, отличную от кислорода.

Допированию в исследовании подвергается сложный оксид Ba₂In₂O₅ — индат бария_. Из-за недостатка кислорода в структуре вещества образуются кислородные вакансии — прорехи в кислородной подрешетке всей кристаллической структуры. Они и обеспечивают возможность переноса кислорода и протонов по кристаллической решетке соединения. В перовскитах такие прорехи расположены хаотично, что обеспечивает бОльшие скорости. Этот метод позволяет достичь поставленной цели — скорость ионов возрастает.

Еще одно важное свойство полученного вещества — повышение его устойчивости к действию углекислого газа. Твердооксидный топливный элемент, в котором будет использовано подобное соединение, не только продемонстрирует лучшие транспортные свойства, но и сможет работать дольше аналогов. И хотя, как отмечают исследователи, число изученных систем пока невелико, исследование демонстрирует высокий потенциал такого метода для создания устойчивых электролитов топливных элементов на основе твердых оксидов.

Внедрение и коммерциализация твердооксидных топливных элементов — серьезная задача, которой занимаются ведущие научные институты страны. Методика, предложенная учеными УрФУ, станет основой для будущих исследований, направленных на развитие ТОТЭ для широкого использования в промышленности.

Текст: Александр Будимиров