Группа ученых из Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН разработала новый подход к созданию высокоэффективных электродных материалов, обладающих высокой совместимостью с протонпроводящими электролитами. Электроды и электролиты предназначены для совместного применения в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Статью о содержании и результатах работы ученые опубликовали в Journal of Alloys and Compounds.
«Наш коллектив занимается разработкой и созданием твердооксидных топливных элементов на основе протонпроводящих электролитов — одних из наиболее эффективных электрохимических устройств на сегодня, с КПД порядка 65–70%. Наиболее многообещающими протонпроводящими электролитами для среднетемпературных ТОТЭ, работающих в температурном диапазоне 400–700 °С, являются материалы на основе церато-цирконата бария Ba(Ce,Zr)О3, — рассказывает Лиана Тарутина, младший научный сотрудник Лаборатории электрохимических устройств и материалов УрФУ, инженер Лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ.— В связи с этим потребовалось разработать электрод, схожий по составу с электролитом. Совместимость электролита и электрода необходима, чтобы между ними не возникало химического взаимодействия и их расширение при нагревании протекало с одинаковой интенсивностью, не приводя к термомеханическим повреждениям и разрушению электрохимической ячейки — трехслойной структуры из электролита и сопряженных с ним электродов».
При этом материалы, известные до сих пор, не полностью отвечали данным требованиям.
В поисках необходимого электродного материала (в данном случае — катода) исследователи постепенно допировали протонпроводящий электролит на основе церато-цирконата бария железом. Полученный в результате исследований смешанный ионно-электронный проводник отличается привлекательными электрохимическими свойствами.
«Высокие концентрации железа приводят к значительному росту электротранспортных свойств, включая как ионную, так и электронную проводимости. Это благоприятно сказывается на электрохимической активности катода. В то же время с увеличением содержания железа повышаются средние значения термического расширения материалов. Другими словами, термомеханически катод становится менее совместимым с электролитом при рабочих температурах. Нашей задачей было найти такую концентрацию железа, которая обеспечивала бы золотую середину между электрохимической активностью и термомеханическими свойствами катода. Как показал комплексный анализ функциональных свойств материалов — кристаллической и дефектной структур, поведения при термическом расширении, электрической проводимости и других, — такой оптимум был найден», — объясняет Лиана Тарутина.
Разработанный катод обладает высокой химической совместимостью с современными протонопроводящими электролитами на основе церато-цирконата бария, констатируют ученые. При этом его свойства оказались достаточно эффективными для того, чтобы созданная электрохимическая ячейка, в отличие от большинства существующих аналогов, не требовала улучшения функциональных свойств с помощью дополнительных методик электроактивации. Новый подход, примененный екатеринбургскими химиками, отличается простотой, продуктивностью и экономичностью.
Добавим, что исследования осуществлялись благодаря гранту Президента РФ по программе поддержки молодых российских ученых (проект № МК-1654.2019.3).