Это исследование представляет собой значительное достижение в области технологии топливных элементов. Исследователи из Tokyo Tech обнаружили, что гексагональные оксиды Ba5R2Al2SnO13 (R — редкоземельный металл) обладают высокой протонной проводимостью и термической стабильностью. Благодаря своей кристаллической структуре и большому количеству кислородных вакансий эти материалы могут полностью гидратироваться и обеспечивать высокую диффузию протонов. Это делает их идеальными кандидатами для использования в качестве электролитов в протонных керамических топливных элементах нового поколения, которые могут работать при средних температурах без ухудшения характеристик. Топливные элементы — это экологичный способ получения энергии. В них водород и кислород соединяются, в результате чего образуется электричество, а на выходе получаются только вода и тепло. Топливный элемент состоит из анода, катода и электролита. Газообразный водород подаётся на анод, где он расщепляется на протоны и электроны. Электроны создают электрический ток, а протоны через электролит попадают к катоду, где соединяются с кислородом и образуют воду. Большинство топливных элементов — это твердооксидные топливные элементы (SOFC). В них в качестве электролита используются оксидные ионные проводники. Однако у SOFC есть проблема: со временем они деградируют из-за высоких рабочих температур. Сейчас учёные исследуют протонный керамический топливный элемент (ПКТЭ), в котором применяется электролит из протонопроводящей керамики. Такие топливные элементы могут работать при промежуточных, более приемлемых температурах 200-500 °C. Однако поиск подходящих материалов, обладающих одновременно высокой протонной проводимостью и химической стабильностью при таких промежуточных температурах, остается сложной задачей. В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, ученые под руководством профессора Масатомо Яшимы из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку (Tohoku University) совершили значительный прорыв. Они определили химически стабильные гексагональные перовскитные оксиды Ba5R2Al2SnO13 (где R — редкоземельные металлы Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm и Yb) как перспективные электролитные материалы с высокой протонной проводимостью почти 0,01 S см-¹, что значительно выше, чем у других протонных проводников при температуре около 300 оС.
Высокая протонная проводимость материала объясняется полной гидратацией в материале с высоким дефицитом кислорода и уникальной кристаллической структурой. Структуру можно представить как укладку октаэдрических слоев и кислородно-дефицитных гексагональных близкоупакованных слоев AO3-δ (h') (A — крупный катион, такой как Ba²⁺, а δ — количество кислородных вакансий). При гидратации эти вакансии полностью заполняются оксигенами из молекул воды, образуя гидроксильные группы (OH-), высвобождая протоны (H⁺), которые мигрируют через структуру, повышая проводимость. В своем исследовании ученые синтезировали Ba5Er2Al2SnO13 (BEAS) с помощью твердофазных реакций. Материал содержал большое количество кислородных вакансий (δ = 0,2) и демонстрировал фракционное поглощение воды, равное 1, что указывает на его способность к полной гидратации. При испытаниях его проводимость во влажной азотной среде оказалась в 2 100 раз выше, чем в сухой азотной среде при температуре 356 °C. При полной гидратации проводимость составила 0,01 С см-¹ при температуре 303 °C. Кроме того, расположение атомов в октаэдрических слоях обеспечивает пути для миграции протонов, что еще больше увеличивает протонную проводимость. При моделировании Ba5Er2Al2SnO13-H2O исследователи изучили движение протонов в суперячейке кристаллической структуры 2×2×1, представленной Ba40Er16Al16Sn8O112H16. Эта структура включала два h' слоя и два октаэдрических слоя. Исследователи обнаружили, что в октаэдрическом слое наблюдаются миграции протонов на большие расстояния, что свидетельствует о быстрой диффузии протонов.
Помимо высокой проводимости, материал также химически стабилен при рабочих температурах PCFC. При отжиге материала во влажной атмосфере кислорода, воздуха, водорода и CO2 при температуре 600 °C исследователи не заметили изменений в его составе и структуре, что свидетельствует о прочной стабильности материала и его пригодности для длительной работы без деградации.
08.07.2024 |
Энергия
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам | |
Исследователи разработали методику создания сл... |
В Пермском Политехе создали установку для исследования новых видов топлива | |
Учёные исследуют новый вид горючего ... |
Chemistry of Materials: Открыт перспективный твердый электролит из наночастиц | |
Аккумуляторы играют важную роль в совреме... |
Водные системы могут помочь ускорить внедрение возобновляемых источников энергии | |
Системы водоснабжения помогают сделать возобно... |
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей | |
Литий-ионные батареи широко используются в&nbs... |
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x | |
Пьезокатализ — перспективная эколог... |
NatSustain: Новый материал катода может произвести революцию в хранении энергии | |
Недорогой катод, который может улучшить литий-... |
eScience: С помощью реактивной химии ученые создали анод без дендритов | |
Металлические калиевые батареи, МБК &mdas... |
Система искусственного фотосинтеза производит этилен с высочайшей эффективностью | |
Чтобы использовать CO₂ для создания эколо... |
NatComm: Инженеры создают долговечный и дешевый электролит для аккумуляторов | |
Возобновляемые источники энергии, такие как&nb... |
В ЛЭТИ создали цифрового двойника для оптимизации солнечных электростанций | |
Рост населения и развитие технологий прив... |
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо | |
Новый метод переработки бикарбонатного раствор... |
ACS Energy Letters: Новую батарею можно резать, можно бить — все равно работает | |
В большинстве аккумуляторов для портативн... |
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу | |
Углеродный след богатых людей в обществе ... |
Учёные НИУ МЭИ создали энергоустановку на основе бионических технологий | |
Исследователи создали энергоустановку для ... |
Кремний с высокой площадью поверхности улучшает реакцию CO2 на свету | |
Учёные работают над превращением углекисл... |
В ЛЭТИ улучшили свойства материала для более долговечных солнечных батарей | |
Исследователи создали наноматериалы, которые с... |
Nature Electronics: Создан напалечный трекер здоровья, черпающий энергию из пота | |
Устройство, работающее от пота, позволяет... |
Nature Sustainability: Электролиты на основе нафталина пригодятся для батарей | |
ORAM — это органические редокс... |
Science: В США разрабатывают метод переработки лопастей ветряных турбин | |
Исследователи из Национальной лаборатории... |
Терагерцовая спектроскопия позволяет следить за старением перовскитовых пленок | |
Гибридные перовскиты могут использоваться в&nb... |
Scientific Reports: Создан новый храповик с геометрически симметричной шестерней | |
Храповой механизм — это систем... |
Инженеры MIT разрабатывают крошечные батареи для питания роботов | |
Маленькие словно песчинки цинково-воздушные ба... |
JPE: Листоподобные концентраторы повысят эффективность солнечной энергии | |
Люминесцентный солнечный концентратор, ил... |
Учёные ТПУ разработали катализатор для водорода, который в 7 раз лучше аналогов | |
Учёные молодёжной лаборатории ТПУ совмест... |
Полупрозрачные солнечные панели для окон стали эффективнее | |
Учёные НИТУ МИСИС разработали новый метод ионн... |
ESM: Учёные предложили конструкцию катодного композита для твердотельных батарей | |
Исследователи из Кореи объединились, чтоб... |
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа | |
Фотокаталитическое выделение водорода из ... |
Биоуголь из морских растений оценили как перспективный материал для катодов | |
Исследователи из Сахалинского государстве... |
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов | |
Учёные Института физики Казанского федеральног... |