Найден новый путь к получению высокопродуктивных протонных проводников

09:54, 16 сентября 2022

Открытие ведет к созданию эффективных устройств водородной энергетики

В создании новых высокопродуктивных протонных проводников участвует Наталия Тарасова. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН впервые провели донорное и акцепторное допирование перовскита с блочно-слоевой структурой индат бария-лантана. Показана принципиальная возможность такого способа значимого улучшения проводящих свойств материала. Работа открывает новый путь к созданию электролитов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Статья с описанием исследований и их результатов опубликована в журнале Ceramics International.

Одна из задач мировой науки в области материаловедения — получить максимально высокие значения электропроводности электролитов для их дальнейшего использования в ТОТЭ. Для этого осуществляется допирование — замещение части атомов в исходных материалах на атомы другого химического элемента (акцепторное допирование — замещение на атомы с меньшей валентностью, донорное — на атомы с большей).

«В качестве исходной структуры мы использовали индат бария-лантана и в ходе исследований замещали в нем часть атомов индия на титан (донорное допирование) и часть атомов лантана на кальций (акцепторное допирование). При акцепторном допировании в кристаллической решетке исходного материала возникали кислородные дефекты — вакансии кислорода. Это может обеспечивать перенос по кристаллической решетке протонов — положительно заряженных ионов водорода. Они проникают в структуру слоистого перовскита из увлажненного воздуха при температуре 300-500°C. Чем больше кислородных дефектов и, следовательно, чем больше концентрация протонов в кристаллической решетке перовскита и их подвижность, то есть скорость, тем выше значения электропроводности материала», — объясняет профессор кафедры физической и неорганической химии, ведущий научный сотрудник Института водородной энергетики УрФУ Наталия Тарасова.

Выбор в качестве исходного вещества перовскита с блочно-слоевой структурой объясняется тем, что в таких соединениях перовскитные блоки чередуются с солевыми слоями. Поэтому исследователи предположили, что в блочно-слоевых перовскитах достаточно места для введения протонов.

Вместе с тем введение ионов титана в структуру индат бария-лантана привело к затруднению кислородного транспорта. Дело в том, что в результате донорного допирования в солевом слое кристаллической решетки перовскита образуется «дополнительный», межузельный кислород. Он оказывается зажатым между перовскитными слоями, и передвигаться внутри этой конструкции иону кислорода гораздо труднее. Поэтому электропроводность перовскита, допированного титаном, по ионам кислорода не выросла.

«Допирование титаном не только не улучшило значений электропроводности, но и привело к их незначительному снижению. Зато оно изменило тип проводимости — со смешанного кислород-ионного и электронного на полностью кислород-ионный. В свою очередь акцепторное допирование кальцием улучшило электропроводность. Таким образом, мы пришли к выводу, что в двухслойном перовските только акцепторное допирование улучшает транспортные свойства и приводит к увеличению электропроводности», — поясняет Наталия Тарасова.

Работа ученых УрФУ и ИВТЭ УрО РАН открывает новый путь к получению высокопроводящих проводников с двухслойной (блочно-слоевой) перовскитной структурой. Дальнейшие исследования будут связаны с поиском наиболее эффективных допантов. 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.

Добавим, что работа выполнена в недавно созданном Институте водородной энергетики УрФУ и отражает одну из тематик стратегического проекта «Материалы и технологии для водородной и атомной энергетики», которая реализуется в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Справка

Высокое потребление ископаемого топлива и, как следствие, попадание в окружающую среду огромного количества продуктов сгорания углеводородов приводят к обострению таких глобальных проблем, как парниковый эффект, уменьшение озонового слоя и в конечном счете деградация климата.

Одним из возможных путей решения этой проблемы является переход к экологически чистой водородной энергетике. Ее концепция предполагает создание различных электрохимических устройств, в том числе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) — 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. Использование ТОТЭ в качестве систем преобразования энергии является перспективной технологией, способной сочетать высокую эффективность, гибкость в различных условиях работы и отличную производительность.

Основная сложность в том, что твердооксидные топливные элементы работают при температуре 700–1000°С, что затрудняет их использование. Поэтому ученые ищут возможность снизить температуру, при которой функционируют эти устройства. Одним из вариантов может стать использование в качестве электролита среднетемпературных протонных проводников, работающих при 300–500°С.

Ученые ведут активные разработки керамических материалов, которые могут быть использованы в качестве такого электролита. Группа специалистов УрФУ и ИВТЭ УрО РАН первой в мире приступила к исследованию возможности реализации протонного транспорта — способности осуществлять направленное движение положительно заряженных ионов водорода — в материалах с блочно-слоевой структурой.