Химики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН улучшили материал для высокоэффективных электрохимических устройств. Такой материал используют в качестве электродов в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) или электролизерах (ТОЭ) на протонных электролитах. Описание материала и метода представлено в журнале Catalysts.

Твердооксидные топливные элементы и электролизеры на протонных электролитах — это электрохимические устройства, которые преобразуют энергию. ТОТЭ и ТОЭ применяются в целом в энергетике. 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, смеси газов. Они также 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.

«Химический дизайн новых функциональных материалов — важный этап для разработки электрохимических устройств с повышенными показателями КПД и мощности, — говорит заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев. — Такое направление активно развивается во всем мире, являясь одной из траекторий развития водородной энергетики. Урал традиционно считается лидирующим регионом в области материаловедения, поэтому наши работы и работы коллег известны не только в России, но и за рубежом».

Уральские ученые предложили метод инфильтрации как простой и доступный способ улучшения электрохимических характеристик. Их метод повысил проводимость этого материала, соответственно, 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 на сегодня существуют, однако ученые по всему миру пытаются их оптимизировать — улучшить свойства для повышения эффективности.

«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.

Уральские химики разрабатывают и исследуют катодные материалы для ТОТЭ и ТОЭ на протяжении 10 лет. В УрФУ в 2022 году по программе «Приоритет-2030» образован научно-исследовательский институт водородной энергетики, в рамках которого интенсифицированы фундаментальные и прикладные исследования в области создания твердооксидных устройств.