Обратимые протонные керамические электрохимические ячейки (R-PCECs) — это перспективные устройства для генерации и хранения энергии. Они эффективно преобразуют электричество в химическую энергию и обратно, работая при более низких температурах, чем традиционные твердооксидные элементы (SOCs). Это снижает затраты и продлевает срок службы, но предъявляет высокие требования к материалу кислородного электрода.

Во-первых, электрод должен хорошо катализировать реакции восстановления и выделения кислорода (ORR и OER) при низких температурах. Во-вторых, он должен выдерживать воздействие пара, поскольку в режиме топливного элемента (FC) или электролиза (EC) на электроде образуется или подается вода. В-третьих, постоянная поляризация во время работы может вызывать сегрегацию элементов.

Команда исследователей под руководством Шаожун Вана из Китайского университета горного дела и технологий изучила механизм деградации кислородного электрода BFCZY при 550–650 °C в условиях влажного воздуха (0–50% пара) с поляризацией и без. Они применили метод пропитки раствором, чтобы создать гетероинтерфейсы BCO-BFCZY, что значительно улучшило активность и стабильность электрода в реакциях ORR и OER.

Гетероинтерфейс — граница между двумя разными материалами (например, BCO и BFCZY), где их свойства synergistically усиливают друг друга, улучшая проводимость или каталитическую активность.

Результаты опубликованы в издании Journal of Advanced Ceramics.

Почему это важно

• BFCZY — перовскитный материал с высокой проводимостью для протонов, электронов и ионов кислорода, но его стабильность во влажном воздухе оставалась под вопросом.
• Оказалось, что деградация ускоряется при высокой влажности, низких температурах и в режиме топливного элемента.

Решение — нанесение слоя BCO на BFCZY. Это снизило сопротивление электрода вдвое (с 0,42 до 0,21 Ом·см²) и замедлило деградацию в 10 раз. Расчеты на основе теории функционала плотности (DFT) подтвердили, что гетероинтерфейсы облегчают образование кислородных вакансий и улучшают адсорбцию кислорода.

Мы выяснили, что деградация BFCZY связана с выделением бария под действием воды и образованием BCO, что ухудшает обмен кислородом. Покрытие BCO не только повышает активность, но и стабилизирует электрод, — пояснил Шаожун Ван.

Этот подход может удешевить и упростить производство энергоустановок для водородной энергетики, особенно для систем с циклическим режимом работы. Улучшенные электроды позволят дольше обходиться без замены компонентов, что критично для коммерциализации технологии.

Исследование не учитывает долгосрочное воздействие реальных условий, например, перепадов температуры или примесей в воздухе. Также неясно, как скажется на стоимости массовое применение метода пропитки.

Ранее ученые разработали новый метод синтеза для снижения температуры спекания электролитов.