Скандий снижает
температурные требования
для твердооксидного топлива.
С ростом спроса на энергию учёные, что называется, всем миром изыскивают новые способы её получения. Это особенно важно ввиду значительных климатических изменений, свидетелями которых мы являемся. Они заставляют нас постепенно отказываться от использования угля, нефти и газа, поэтому сегодня прогресс в области электрохимических устройств в первую очередь обусловлен открытием и разработкой материалов для электролитов.
Один из самых перспективных способов получения энергии — ТОТЭ (твердооксидные топливные элементы). Они работают иначе, чем аккумуляторы, которые, накопив энергию, отдают её в виде электричества. Топливные элементы превращают топливо непосредственно в электричество, не прекращая выработку энергии, пока это топливо не закончится. Самый известный пример таких элементов — водородные топливные элементы. Они используют водород и превращают его в энергию и воду.
ТОТЭ очень эффективны и служат долго, но есть у них и минус: они работают только при очень высоких температурах, около 700-800 ºC. Поэтому для их создания нужны дорогие материалы, которые могут выдерживать такие температуры. К тому же создание высокоэффективных и химически стабильных оксидных электролитов, проводящих протоны, остаётся сложной задачей из-за захвата протонов и, как следствие, компромисса между концентрацией ионных носителей и проводимостью.
Однако в исследовании, опубликованном в Nature Materials, учёные из Университета Кюсю заявляют, что оксиды кубического перовскита с высоким содержанием скандия могут преодолеть эти ограничения. Им удалось разработать новый твердотельный топливный элемент с эффективной рабочей температурой 300 ℃. Команда ожидает, что их новые разработки приведут к созданию недорогих низкотемпературных твердотельных топливных элементов и значительно ускорят практическое применение этих устройств.
Сердцем ТОТЭ является керамический электролит — слой, который переносит заряженные частицы между двумя электродами. В водородных топливных элементах электролит проводит протоны водорода для выработки энергии, но, чтобы эта передача прошла эффективно, нужны чрезвычайно высокие температуры.
«Снижение рабочей температуры до 300 °C позволило бы сократить расходы на материалы и открыть путь к созданию систем потребительского уровня, — поясняет профессор Платформы меж-/трансдисциплинарных энергетических исследований Университета Кюсю Ёсихиро Ямадзаки, руководивший исследованием. — Однако ни один из известных керамических материалов не может так быстро переносить протоны в таких „тёплых“ условиях. Поэтому мы решили устранить это узкое место».
Протон перемещается между атомами кристаллической решётки электролита, состоящего из различных комбинаций этих атомов. На изучение различных комбинаций структуры материала (вариантов кристаллических решёток) и самих атомов (материалов и химических примесей) и был сделан упор, поскольку именно эти факторы могут изменять физические свойства вещества, влияя на скорость протонов в электролитах будущего топливного элемента.
«Но здесь есть и проблема, — продолжает Ямадзаки. — Добавление химических примесей может увеличить количество подвижных протонов, проходящих через электролит, но обычно это приводит к засорению кристаллической решётки и замедлению протонов. Мы искали оксидные кристаллы, которые могли бы вмещать много протонов и позволять им свободно перемещаться. И в нашем новом исследовании мы наконец нашли баланс».
Команда обнаружила, что два соединения — станнат и титанат бария (BaSnO3 и BaTiO3 соответственно), при добавлении высоких концентраций (70 и 80%) скандия (Sc) смогли достичь уровня протонной проводимости при 300 °C, сопоставимого с показателями современных электролитов для топливных элементов при 600–700 °C.
Структурный анализ и моделирование молекулярной динамики показали, что атомы скандия связывают окружающие их атомы кислорода, образуя оксид ScO₆, который становится настоящим трёхмерным «хайвэем» для протонов, перемещающихся по вдоль него с необычно низким миграционным барьером. Этот путь широк и довольно стабилен, что предотвращает потери, которые обычно происходят в сильно легированных оксидах.
«Данные о динамике кристаллической решётки показали, что BaSnO₃ и BaTiO₃ по своей природе „мягче“, чем обычные материалы для топливных элементов, — объясняет профессор Ямадзаки. — Это позволяет им поглощать гораздо больше Sc, чем предполагалось ранее».
Благоприятное влияние чрезвычайно сильного легирования не принималось во внимание почти полвека, с тех пор как было опубликовано первое сообщение о протонной проводимости в оксидах перовскита. Данная работа показывает, что такое сильное легирование, возможное благодаря выбору материалов-хозяев с «мягкой» решёткой, может открыть новые возможности для создания высокоэффективных материалов для различных твердотельных устройств.
Полученные результаты переопределяют зависимость между уровнем легирования и ионным переносом. Таким образом, можно говорить об открытии нового этапа в создании недорогих топливных элементов на основе твёрдых оксидов. Конечно, пока до комнатной температуры ещё далеко, но двукратное сокращение ранее требуемых условий в 700 градусов — уже довольно неплохое событие для топливной инженерии.
«Наша работа превращает давний научный парадокс в практическое решение, приближая доступную водородную энергетику к повседневной жизни, — говорит профессор Ямазаки, раскрывая потенциал новации. — Помимо топливных элементов, тот же принцип можно применить к другим технологиям, таким как низкотемпературные электролизёры, водородные насосы и реакторы, которые преобразуют CO₂ в ценные химические вещества, тем самым усиливая эффект декарбонизации».
АРМК, по материалам Университета Кюсю.