Ученые впервые применили гомологический подход, чтобы описать механизм кислородного обмена в одном из наиболее распространенных материалов для твердооксидных топливных элементов. Подход заключался в том, что авторы рассматривали, как изменяются обменные свойства разных гомологов — вариантов одного и того же материала — в зависимости от того, сколько в их составе было кислорода. Полученные результаты в будущем помогут подобрать наиболее эффективные и дешевые материалы для создания твердооксидных топливных элементов, которые используются в автотранспорте. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C.
Твердооксидные топливные элементы — это устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива, например природного газа, биогаза и даже отходов производств, в электричество. Они используются как вспомогательные устройства питания в грузовиках и автобусах. Устройства обладают рядом преимуществ: они более эффективны, чем традиционные элементы, например газовые турбины, потому что преобразуют 70% химической энергии топлива в электричество, а также более экологичны, поскольку не производят вредных выбросов. Однако у твердооксидных топливных элементов есть и недостатки, такие как высокая стоимость и сложность производства. Кроме того, для их работы требуются высокие температуры (до 850°С), что значительным образом влияет на долговечность таких элементов. Для решения этих проблем ученые ищут новые материалы.
Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) детально исследовали один из самых популярных материалов для твердооксидных топливных элементов — керамику, состоящую из оксидов лантана, стронция, кобальта и железа. Материал входит в группу кислород-дефицитных оксидов — соединений, у которых не хватает кислорода в структуре, что позволяет использовать их в качестве электродов твердооксидных топливных элементов. Дело в том, что между такими электродами происходит перенос ионов кислорода и топлива, а также электронов. Эти обменные процессы позволяют в ходе химических превращений вырабатывать электрический ток, который можно использовать для питания устройств и генерации электроэнергии.
Авторы разработали установку из коммерчески доступных комплектующих, позволяющую изучать как порошкообразные, так и плотные образцы материала, не прибегая к другой дорогостоящей аппаратуре. Установка благодаря кислородному датчику в своей конструкции позволяет напрямую оценивать скорость выделения, а также количество кислорода, вырабатываемое на электроде в ходе химической реакции. Другие подходы позволяют оценивать эти параметры только косвенно, что требует привлечения дополнительных методов для увеличения точности результатов.
Химики экспериментально протестировали исследуемый материал с помощью разработанной установки, при этом исследователи рассмотрели различные варианты одного и того же оксида — гомологи, то есть последовательности соединений со схожей структурой, но различным содержанием кислорода. Обменные свойства таких гомологов непрерывным образом зависели от содержания кислорода. Такое рассмотрение оксидов позволило вывести зависимость между скоростью реакции кислородного обмена в оксиде и ее энергетикой. Зная эту зависимость и энергетические коэффициенты реакции, ученый сможет «предсказывать», насколько эффективно будет работать топливный элемент с применением того или иного оксида из гомологического ряда, когда проведение прямого эксперимента трудоемко.
«Концепция гомологов успешно применяется во многих областях науки, но ее еще ни разу не применяли для описания свойств кислород-дефицитных оксидов. В данной работе мы адаптировали этот подход для анализа процесса кислородного обмена в одном из наиболее известных материалов для твердооксидных топливных элементов. Мы надеемся, что исследование такого соединения позволит привлечь внимание к новой методологии изучения кислород-дефицитных оксидов. В дальнейшем мы планируем исследовать применимость гомологического подхода к другим классам соединений, в частности, слоистым и двойным перовскитам, где данная концепция еще не опробована. Это может помочь в разработке более совершенных материалов для топливных элементов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Попов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии твердого тела Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.