Группа ученых создала материал с высокой протонной проводимостью

09:40, 2 апреля 2021

Следующий этап — разработка модели эффективного протонного топливного элемента

Коллектив ученых УрФУ и ИВТЭ УрО РАН, в состав которого входит Наталия Тарасова, работает над развитием водородной энергетики России. Фото: Илья Сафаров.

Химики Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УрО РАН) создали материал с высокой протонной проводимостью на основе индата бария-лантана. Проведенные эксперименты внесли значительный вклад в понимание механизмов транспорта протонов и приблизили перспективу создания высокоэффективного протонного твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Статья о работе ученых опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Научная группа специалистов УрФУ и ИВТЭ первой в мире приступила к исследованию возможности реализации протонного транспорта — способности осуществлять направленное движение положительно заряженных ионов водорода — в материалах с блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Используя в качестве базового соединение на основе индата бария-лантана, ученые пришли к выводу, что подобные материалы могут быть использованы в водородной энергетике в роли электролита для ТОТЭ.

Для улучшения функциональных свойств данного соединения химики последовательно допировали (замещали) в его кристаллической решетке часть атомов лантана или индия атомами других химических элементов. Допантами выступали атомы титана, циркония, ниобия, кальция, стронция и бария.

В этот раз ученые впервые одновременно допировали подрешетку лантана — атомами бария, а подрешетку индия — атомами титана.

Исследователи показали, что на эффективность переноса протонов влияют два фактора. Первый — геометрический: размер пространства внутри кристаллической решетки, доступного для переноса протонов. Обнаружилось, что введение допанта приводит к значимому увеличению как параметров кристаллической решетки, так и «свободного» пространства внутри нее.

Второй фактор — концентрация вакансий кислорода, которые обеспечивают перенос протонов по кристаллической решетке. Применение метода совместного допирования привело к образованию кислородных вакансий, и протонная проводимость соединения выросла на порядок, в сравнении с недопированным образцом.

«При этом полученное соединение продемонстрировало высокую химическую устойчивость в атмосфере углекислого газа СО2, содержащегося в воздухе. Это принципиально важно, так как в существующих электрохимических устройствах на основе церата и цирконата бария наблюдается конкуренция между величиной электропроводности и химической устойчивостью по отношению к СО2. Наше соединение является химически стойким к действию углекислого газа и вместе с тем отличается достаточно высокими значениями электропроводности. Оно характеризуется практически стопроцентным протонным переносом в условиях влажной атмосферы и при температуре ниже 400 ℃», — объясняет Наталия Тарасова, доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ, ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН, соавтор статьи.

Научная работа, описанная в статье, полностью соответствует плану развития водородной энергетики, который утвержден Правительством РФ в октябре прошлого года и рассчитан до 2024 года. В связи с этим коллектив ученых УрФУ и ИВТЭ, в состав которых входит Наталия Тарасова, подал заявку в Российский научный фонд на получение грантовой поддержки в рамках Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими, в том числе молодыми, учеными.

Конечная цель исследователей — не только изучить фундаментальные аспекты протонного переноса в блочно-слоевых структурах, но и разработать прототип экологичного, высокопроизводительного и экономически доступного протонного топливного элемента. Для достижений этой цели Уральский федеральный университет и Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН приступают к подготовке программы развития Центра компетенций по материалам для водородной энергетики.

Справка

По оценкам ученых, при современном уровне потребления нефти и газа, доступных человечеству, хватит не более чем на ближайшие 60 лет. Кроме того, выбросы продуктов сгорания углеводородного топлива приводят к серьезному загрязнению окружающей среды и атмосферы. Разработка новых месторождений ископаемого топлива ведет к деградации территорий добычи, в том числе арктических, к таянию вечной мерзлоты и высвобождению колоссальных объемов метана. Это усиливает парниковый эффект и разрушение озонового слоя.

С 1970-х годов наука в качестве заменителя углеводородной энергетики рассматривает водородную: запасы водорода неисчерпаемы, он экологичен и безопаснее других видов топлива при хранении и транспортировке.

Один из альтернативных способов производства электроэнергии заключается в использовании твердооксидных топливных элементов — систем, в которых энергия топлива в ходе химической реакции с участием водорода переходит в электрическую. При этом выбросы вредных веществ либо имеют нулевые значения, либо меньше в десятки и сотни раз.