Ученые вуза открыли новый способ повышения устойчивости электролитов

30 Июля 2019

Результаты исследования можно применять при разработке альтернативных методов производства электроэнергии

Предложенная учеными УрФУ методика станет основой для будущих исследований. 

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 АyВzOx, 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 барияИз-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.

УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020 году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.

Источник: Официальный сайт УрФУ