Ученые предложили новый материал для водородной энергетики

Сейчас газ, нефть и каменный уголь — основные источники энергии как в нашей стране, так и за рубежом. Однако их запасы не безграничны и рано или поздно будут исчерпаны, кроме того, при сжигании этих веществ выделяется много углекислого газа — одного из основных парниковых.

Для сокращения углеродных выбросов необходимо максимально внедрять «зеленые» технологии. Один из подходов заключается в использовании водорода. Этот газ при взаимодействии с кислородом дает огромные количества энергии, которые могут обеспечить потребности больших заводов и транспорта, и при этом продукт — обычная вода. Вместе с тем, такой подход вызывает вопросы в плане безопасности: в случае утечек содержимое сосуда быстро окажется в окружающей среде, а еще велика вероятность взрывов. Альтернативой может стать применение химических реакций с водородов, в ходе которых образуются протоны, которые послужат носителями заряда в электронике.

Сотрудники Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и Института водородной энергетики Уральского федерального университета (Екатеринбург) создали новый материал для водородной энергетики. В его основу легли слоистые перовскиты. Они обладают хорошей проводимостью, также на их основе можно создавать системы, где в электричество будет конвертироваться энергия химических реакций.

Классический перовскит АВО3 (где А и В — два разных элемента, а О — кислород) представляет собой сеть восьмигранников, соединенных друг с другом всеми вершинами, и каждый атом кислорода включен в эту сеть. В слоистых перовскитах AA'BO4 восьмигранники связаны в слои, отделенные друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Она является более «гибкой», чем у классического перовскита, что может открывать дополнительные возможности для ее усовершенствования.

Авторы работы решили модифицировать слоистые перовскиты BaLaInO4 (Ba — барий, La — лантан, In — индий, О — кислород), добавив в них атомы редкоземельного гадолиния, который также способен увеличивать проводимость материалов. В данном случае такой эффект обусловлен тем, что в системе изначально были редкоземельные ионы — лантана, — а добавка их «родственника» гадолиния привела к большему отталкиванию восьмигранников в кристаллической решетке. В результате пространство для переноса заряженных частиц расширилось.

Эксперименты показали, что модификация улучшила проводимость материала в сухих условиях примерно в 12 раз (в сравнении с исходным материалом), при этом ее обеспечивало в основном движение ионов кислорода. Во влажной среде добавлялся еще один механизм переноса заряда — протонный, то есть теперь носителями заряда были ионы водорода, что и необходимо для создания устройств водородной энергетики. В этом случае при температурах ниже 400°C добавка гадолиния улучшила проводимость в 20 раз.

«Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что модифицированный слоистый перовскит может стать основой для устройств водородной энергетики. В настоящий момент мы работаем над созданием материалов, которые могли бы эффективно сочетаться по комплексу физико-химических свойств в твердооксидном топливном элементе, а также в дальнейшем планируем их тестирование в составе электрохимического устройства. Это является одной из важнейших задач, стоящих перед нами — осуществить переход от фундаментального материаловедения к дизайну электрохимических устройств, соединив, таким образом, фундаментальную и прикладную науку», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталия Тарасова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН и профессор Уральского федерального университета.