Сделан шаг, который поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов

Российская группа ученых, куда вошли специалисты из НИУ ВШЭ, провела исследование, которое поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов – одной из основных альтернатив современным источникам электричества.

В журнале Journal of Alloys and Compounds опубликована совместная работа ученых из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Международного Физического Центра «Доностия» и Московского института электроники и математики имени А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ о свойствах двойных перовскитоподобных оксидов.

Экспериментальные измерения характеристик этих минералов до сих пор не соответствовали результатам теоретического моделирования, и авторы работы впервые поставили целью объяснить наблюдаемую разницу. Полученные данные позволят ученым в будущем улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов – одной из основных альтернатив современным источникам электричества.

В последнее время ученые все чаще предлагают использование топливных элементов в качестве замены всем известных гальванических батарей. В обычных батарейках вещества, на основе которых происходит генерация электричества, «зашиты» внутрь. Их количество ограничено, и батарейка перестает работать после того, как топливо израсходуется. В топливных элементах происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды, и при этом питание подается извне, а кислород берется из воздуха.

В результате, такая батарея может работать до тех пор, пока существует стабильная подача питания. Побочный продукт работы топливных элементов – только вода, благодаря чему они являются весьма экологичной альтернативой батареям на основе, например, марганца и цинка, которые нужно специальным образом утилизировать после окончания срока работы.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) – разновидность топливных элементов, в последнее время получившая особое внимание среди ученых. В качестве электролита – вещества, через которое в батарее взаимодействуют положительно и отрицательно заряженные электроды – в них выступает керамический материал, например, на основе диоксида циркония.

Среди преимуществ твердооксидных топливных элементов отмечают высокую эффективность, стабильность, возможность использования разных видов топлива и относительно низкую стоимость. Кроме того, в отличие от других типов топливных элементов, ТОТЭ могут иметь не только «плоскую» структуру, в которой между электродами помещается электролит, но и, например, быть выполнены в форме трубы, в которой воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы, а другой газ проходит по внешней стороне.

У твердооксидных топливных элементов есть также и основной недостаток: для их работы необходимы высокие температуры, порядка 500-1000 градусов Цельсия, которые поддерживают необходимые химические реакции. Для функционирования при более низких температурах в ТОТЭ нужно использовать дорогостоящие платиновые катализаторы, что критически увеличивает стоимость топливного элемента.

Именно поэтому в последнее время многие ученые уделяют внимание поиску способов снижения рабочих температур твердооксидных топливных элементов без потери эффективности выработки электричества. Исследования в этой области включают поиск высокоактивных катализаторов необходимых реакций, разработку методов синтеза компонентов топливных элементов и создание эффективных материалов для производства электродов.

В качестве электролитов, обладающих необходимыми для индустрии свойствами, ученые предлагают перовскитоподобные минералы. Перовскиты – класс минералов, состоящих из двух отрицательно заряженных и одного положительно заряженного иона, соединенных между собой.

Так, например, рассматриваются сложные оксиды молибдатов со структурой двойного перовскита A₂MeMoO₆, где A – кальций, стронций или барий, а Me – 3d-металлы или магний. При этом составы со стронцием, магнием или никелем были признаны наиболее перспективными. Эти оксиды обладают довольно хорошей электропроводностью, а также обладают устойчивостью к примесям серы и оксидов углерода в топливном газе.

Несмотря на привлекательность с практической точки зрения, понимание свойств двойных перовскитоподобных оксидов молибдена типа Sr₂Mg_{1 −x}Ni_xMoO₆ все еще не достаточно полное. Экспериментальные измерения свойств веществ расходятся с теоретическими предсказаниями на основе компьютерного моделирования, которые сами по себе также довольно сильно зависят от начальных предположений и используемого программного кода.

Авторы этой работы впервые попытались объединить компьютерное моделирование особенностей электронного спектра вещества и экспериментальные данные о том, как Sr₂Mg_{1 −x}Ni_xMoO₆ проводит электрический ток. Результаты исследования указывают на полупроводниковую природу проводимости Sr₂Mg_{1 −x}Ni_xMoO₆.

Как и в металлах, появление электрического тока в полупроводниках связано с движением заряженных частиц. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено строением вещества и связями электронов в атомах, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется многими факторами, среди которых наиболее важные – чистота полупроводника и его температура.

Ученые сходятся во мнении, что полупроводники могут эффективно использоваться в качестве электролитов в топливных элементах благодаря хорошим электрохимическим характеристикам и высокой ионной проводимости, и дальнейшее исследование свойств двойных перовскитоподобных оксидов откроет новые возможности использования этого многообещающего материала в различных энергетических технологиях.