Твердооксидные топливные элементы и электролизеры на протонных электролитах — это электрохимические устройства, которые преобразуют энергию. Они находят широкое применение в качестве автономных источников тока для энергоснабжения станций катодной защиты нефте- и газопроводов, в военной и космической промышленности, для энергоснабжения жилых строений.
Химики подведомственных Минобрнауки России Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН улучшили материал для электродов этих топливных элементов и электролизеров. Для этого они предложили метод инфильтрации как простой и доступный способ улучшения электрохимических характеристик. Их метод повысил проводимость материала и улучшил характеристики (повысил мощность) топливных элементов. Теперь благодаря изменениям реакция проходит быстрее.
В процессе исследований химики ввели железо в базовый церато-цирконат бария, то есть добавили в состав сложнооксидных перовскитов ионы железа. Так им удалось получить высокий уровень смешанной ионно-электронной проводимости, что необходимо для хороших электродов. Аналогичные материалы уже существуют, однако ученые по всему миру пытаются их оптимизировать — улучшить свойства для повышения эффективности.
Материалы, созданные учеными УрФУ, можно использовать в электродах в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) или электролизерах (ТОЭ) на протонных электролитах. Важное преимущество таких топливных элементов — их способность конвертировать широкий спектр топлив различной чистоты, высокая энергоэффективность и отсутствие вредных выбросов. Такие топливные элементы могут работать на водороде, метане и смеси газов.
«Наш подход добавляет серьезные преимущества этому материалу по сравнению с другими известными электродами. Кроме того, мы предложили способ улучшения электрохимической активности электродов путем внедрения наночастиц оксида празеодима в их пористую структуру. Такой подход оказал положительное влияние, которое привело к повышению электрохимической активности электродов», — поясняет соавтор исследования, младший научный сотрудник лабораторий электрохимических устройств и материалов УрФУ и электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН Лиана Тарутина.
Кроме того, ученым удалось выявить оптимальное количество вводимого железа, при котором достигается золотая середина между различными функциональными свойствами.
«Также на практике мы испытали исследуемые материалы в качестве электродов обратимой твердооксидной ячейки, способной работать как в качестве топливного элемента с получением электроэнергии, так и в качестве электролизера с получением высокочистого водорода», — добавляет Лиана Тарутина.
По словам заведующего лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрия Медведева, химический дизайн новых функциональных материалов — важный этап для разработки электрохимических устройств с повышенными показателями КПД и мощности. Такое направление активно развивается во всем мире, являясь одной из траекторий развития водородной энергетики.
Описание материала и метода представлено в одном из международных журналов.
