Гексагональные перовскиты — новое слово в технологии топливных элементов

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.

В этой работе мы обнаружили один из самых высоких показателей протонной проводимости среди керамических протонных проводников: новый гексагональный оксид Ba5Er2Al2SnO13, связанный с перовскитом, который станет прорывом для разработки быстрых протонных проводников, — говорит Яшима.

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.

Высокая протонная проводимость BEAS объясняется высокой концентрацией протонов и коэффициентом диффузии, — объясняет Яшима.

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.

Эти результаты открывают новые возможности для создания протонных проводников. Высокая протонная проводимость за счет полной гидратации и быстрой миграции протонов в октаэдрических слоях в сильно дефицитных по кислороду гексагональных перовскитных материалах станет эффективной стратегией для разработки протонных проводников нового поколения, — говорит Яшима.

Благодаря своим исключительным свойствам этот материал может привести к созданию эффективных, долговечных и низкотемпературных топливных элементов.

08.07.2024


Подписаться в Telegram



Энергия

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред