В журнале Journal of Alloys and Compounds опубликована совместная работа ученых из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Международного физического центра «Доностия» и Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ о свойствах двойных перовскитоподобных оксидов. Экспериментальные измерения характеристик этих минералов до сих пор не соответствовали результатам теоретического моделирования, и авторы работы впервые поставили целью объяснить наблюдаемую разницу. Полученные данные позволят ученым в будущем улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов — одной из основных альтернатив современным источникам электричества.

В последнее время ученые все чаще предлагают использование топливных элементов в качестве замены всем известных гальванических батарей. В обычных батарейках вещества, на основе которых происходит генерация электричества, «зашиты» внутрь. Их количество ограничено, и батарейка перестает работать после того, как топливо израсходуется. В топливных элементах происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды, и при этом топливо подается извне, а кислород берется из воздуха. В результате, такая батарея может работать до тех пор, пока существует стабильная подача питания. Побочным продуктом работы топливных элементов является только вода, благодаря чему они являются весьма экологичной альтернативой батареям на основе, например, марганца и цинка, которые нужно специальным образом утилизировать после окончания срока работы.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) — разновидность топливных элементов, в последнее время получившая особое внимание среди ученых. В качестве электролита — вещества, через которое в батарее взаимодействуют положительно и отрицательно заряженные электроды — в них выступает керамический материал, например, на основе диоксида циркония.

Среди преимуществ твердооксидных топливных элементов отмечают высокую эффективность, стабильность, возможность использования разных видов топлива и относительно низкую стоимость. Кроме того, в отличие от других типов топливных элементов, ТОТЭ могут иметь не только «плоскую» структуру, в которой между электродами помещается электролит, но и, например, быть выполнены в форме трубы, в которой воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы, а другой газ проходит по внешней стороне.

У твердооксидных топливных элементов есть также и основной недостаток: для их работы необходимы высокие температуры, порядка 500-1000 °C, которые поддерживают необходимые химические реакции. Для функционирования при более низких температурах в ТОТЭ нужно использовать дорогостоящие платиновые катализаторы, что критически увеличивает стоимость топливного элемента.

Именно поэтому в последнее время многие ученые уделяют внимание поиску способов снижения рабочих температур твердооксидных топливных элементов без потери эффективности выработки электричества. Исследования в этой области включают поиск высокоактивных катализаторов необходимых реакций, разработку методов синтеза компонентов топливных элементов и создание эффективных материалов для производства электродов.

В качестве электролитов, обладающих необходимыми для индустрии свойствами, ученые предлагают перовскитоподобные минералы. Перовскиты — класс минералов, состоящих из двух отрицательно заряженных и одного положительно заряженного иона, соединенных между собой. Так, например, рассматриваются сложные оксиды молибдатов со структурой двойного перовскита A2MeMoO6, где A — кальций, стронций или барий, а Me — 3d-металлы или магний. При этом составы со стронцием, магнием или никелем были признаны наиболее перспективными. Эти оксиды обладают довольно хорошей электропроводностью, а также обладают устойчивостью к примесям серы и оксидов углерода в топливном газе.

Несмотря на привлекательность с практической точки зрения, понимание свойств двойных перовскитоподобных оксидов молибдена типа Sr2Mg1 – xNixMoO6 все еще не является достаточно полным. Экспериментальные измерения свойств веществ расходятся с теоретическими предсказаниями на основе компьютерного моделирования, которые сами по себе также довольно сильно зависят от начальных предположений и используемого программного кода.

Авторы данной работы впервые попытались объединить компьютерное моделирование особенностей электронного спектра вещества и экспериментальные данные о том, как Sr2Mg1 – xNixMoO6 проводит электрический ток. Результаты исследования указывают на полупроводниковую природу проводимости Sr2Mg1 – xNixMoO6. Как и в металлах, появление электрического тока в полупроводниках связано с движением заряженных частиц. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено строением вещества и связями электронов в атомах, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются чистота полупроводника и его температура.

Ученые сходятся во мнении, что полупроводники могут эффективно использоваться в качестве электролитов в топливных элементах благодаря хорошим электрохимическим характеристикам и высокой ионной проводимости, и дальнейшее исследование свойств двойных перовскитоподобных оксидов откроет новые возможности использования этого многообещающего материала в различных энергетических технологиях.

Фото: © Elmar Lackner / Mindat.org

Похожие новости

  • 05/09/2020

    Учёные предсказали новые твёрдые и сверхтвёрдые тройные соединения

    Новое исследование «Компьютерный поиск новых соединений в системе W – Mo – B» было опубликовано в журнале Chemistry of Materials. В публикации идет речь о предсказании расчетными методами новых твёрдых и сверхтвёрдых тройных соединений.
    815
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1123
  • 27/01/2021

    Для светодиодов разработали керамические люминофоры

    ​Международная команда исследователей, в которую вошли ученые Дальневосточного федерального университета, оптимизировала состав и параметры композитных керамических люминофоров. Новые твердотельные преобразователи света можно будет применять в наземных и авиакосмических технологиях.
    424
  • 05/10/2016

    Новосибирские учёные «вырастили» органические светоизлучающие полупроводники

    ​Группа учёных из Новосибирского государственного университета, Новосибирского института органической химии (НИОХ), МГУ и Университета Гронингена (Нидерланды) опубликовала результаты мультидисциплинарного исследования в сфере органической электроники.
    3347
  • 13/05/2020

    Диоксид кремния и наночастицы золота увеличили чувствительность газовых сенсоров в 4 раза

    ​​Вместе эти две добавки увеличивают чувствительность детектора к бензолу и этанолу более чем в четыре раза даже в условиях влажного воздуха. Такие сенсоры могут позволить обезопасить работников промышленных предприятий.
    995
  • 28/02/2018

    Европейский Центр Синхротронных Исследований включил работу профессора Елены Болдыревой в число лучших по итогам 2017 года

    ​Профессор НГУ Елена Болдырева возглавила международную группу по исследованиям механохимического синтеза с использованием синхротронного излучения in situ в режиме реального времени – исследование отмечено как одно из лучших достижений Европейского Центра Синхротронных Исследований в Гренобле за 2017 год.
    2422
  • 14/09/2021

    Фтор для дисплеев: новые органические молекулы научили излучать свет и переключать ток

    ​Российские ученые получили новые органические материалы, которые могут одновременно излучать свет и проводить заряды. Это необычное свойство позволит в перспективе использовать их для создания более совершенных и дешевых дисплеев.
    175
  • 19/04/2021

    В поисках стимулов и альтернатив: что может помешать запрету одноразовой посуды в России?

    Как считают специалисты, для решения проблемы без законодательных запретов не обойтись. По словам вице-президента по стратегическому развитию томской группы компаний "Элекард", советника ректора Томского государственного университета Константина Белякова, без запретов у производителей просто нет мотивации что-то менять.
    521
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    2843
  • 01/06/2020

    Российские ученые создали уникальный материал для аэрокосмической промышленности

    ​Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех известных соединений, удалось разработать группе ученых НИТУ МИСиС.  В ходе реализации проекта "Синтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности" удалось получить соединение HfC0.
    1132