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

Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам

Исследователи разработали методику создания сл...

Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей

Литий-ионные батареи широко используются в&nbs...

JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x

Пьезокатализ — перспективная эколог...

EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо

Новый метод переработки бикарбонатного раствор...

Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу

Углеродный след богатых людей в обществе ...

Инженеры MIT разрабатывают крошечные батареи для питания роботов
Инженеры MIT разрабатывают крошечные батареи для питания роботов

Маленькие словно песчинки цинково-воздушные ба...

Полупрозрачные солнечные панели для окон стали эффективнее
Полупрозрачные солнечные панели для окон стали эффективнее

Учёные НИТУ МИСИС разработали новый метод ионн...

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...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Прототип «кожи-на-чипе» с микробиомом разработали в Сеченовском Университете
Прототип «кожи-на-чипе» с микробиомом разработали в Сеченовском Университете
DPS56: На экзопланеты полезно взглянуть под другим углом
DPS56: На экзопланеты полезно взглянуть под другим углом
OSU: 25% взрослых американцев подозревают у себя недиагностированный СДВГ
OSU: 25% взрослых американцев подозревают у себя недиагностированный СДВГ
Психолог объяснил, как либералы и консерваторы могли бы договориться
Психолог объяснил, как либералы и консерваторы могли бы договориться
В ПНИПУ разработали математическую модель, которая поможет в лечении рака
В ПНИПУ разработали математическую модель, которая поможет в лечении рака
UEG Week 2024: Наночастицы помогут сбросить вес тем, кто неправильно питается
UEG Week 2024: Наночастицы помогут сбросить вес тем, кто неправильно питается
РНФ показал светящиеся в темноте петунии на фестивале Наука 0+
РНФ показал светящиеся в темноте петунии на фестивале Наука 0+
MIT: С новой технологией 3D-печати — выше скорость изготовления и меньше отходов
MIT: С новой технологией 3D-печати — выше скорость изготовления и меньше отходов
Какие риски несет квадробинг и стоит ли его запрещать
Какие риски несет квадробинг и стоит ли его запрещать
Nat. Struct. Mol. Biol: Первая линия защиты иммунитета обволакивает и разрушает
Nat. Struct. Mol. Biol: Первая линия защиты иммунитета обволакивает и разрушает
Вместо радиоактивных изотопов протоны испытают для лечения рака
Вместо радиоактивных изотопов протоны испытают для лечения рака
STM: Вирусы дыхательных путей склоняют клетки иммунитета на свою сторону
STM: Вирусы дыхательных путей склоняют клетки иммунитета на свою сторону
В МГУ разработали модель для адаптивной терапии рака простаты
В МГУ разработали модель для адаптивной терапии рака простаты
PRL: Свет помог визуализировать магнитные домены квантовых антиферромагнитов
PRL: Свет помог визуализировать магнитные домены квантовых антиферромагнитов
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам

Новости компаний, релизы

Школьников зовут на олимпиаду по ядерным технологиям и квантовой физике
В СПбГУ откроется выставка «Наука в лицах»
Уникальный онлайн-курс по истории атомной отрасли создан в ядерном университете МИФИ
От Беларуси до Бразилии. О проектных стажировках Сеченовского Университета
Инженерный центр для дошкольников