Синтезирован новый перовскит с кислородной и протонной проводимостью
Поиск новых высокопроводящих ионных материалов является важной задачей для создания твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Электроустановки на их основе производят электричество и тепло в результате электрохимической реакции и могут работать на разных видах топлива, в том числе водородном — в таком случае отходом реакции будет безопасный для природы водяной пар.
Среди разных типов материалов значительный интерес представляют протонпроводящие электролиты, так как протонные керамические топливные элементы. Они могут работать при относительно невысоких температурах (500–700°С, тогда как обычно ТОТЭ нужны температуры ближе к 1000°С), что делает установки безопаснее и долговечнее. Вместе с тем остается проблемой то, как соблюсти баланс между высокой протонной проводимостью и химической устойчивостью, например, к углекислому газу в случае традиционного топлива и воде в случае водородного. В таком контексте особый интерес вызывают соединения LaXO3 (где Х — Al, Ga, Sc, In и другие) со структурой перовскита, особенно легированные — с добавками других элементов, — это улучшает их проводимость.
В своей новой работе уральские ученые взяли за основу для нового материала LaInO3 В качестве легирующей добавки они предложили цинк (он дешевле индия, который замещает, а потому поможет снизить стоимость ТОТЭ) и впервые получили твердый раствор LaIn 1- x Zn x O 3-0,5 x.
Исследование показало, что легирование цинком обеспечило более высокую химическую стабильность материала, чем в случае часто используемых щелочноземельных металлов. Также удалось снизить температуру спекания керамики, которая при этом получилась достаточно плотной. Добавка цинка оказалась полезна и с точки зрения электропроводимости: в сравнении с исходным веществом она возросла вдвое. Ионная проводимость изменялась в зависимости от влажности среды: в сухой атмосфере и при температуре ниже 400°C преобладал транспорт ионов кислорода, а во влажной и при температурах ниже 500°C — протонов. Возможность протекания обоих процессов расширяет применимость разработки.
Наконец, впервые авторы смогли с геометрической точки зрения объяснить, почему в легированных системах на основе LaXO3 возникает протонная проводимость — это свойство ценно для водородной энергетики, но его нет в ряде потенциально перспективных материалов. Оказалось, что решающее значение имеют кислородные вакансии — «дырки» в решетке на месте атомов кислорода, — и особенно их размеры. Так, если «дырка» окажется менее 1,3 Å, протон просто в нее не поместится, а значит, и не сможет путешествовать внутри материала.
Результаты новой работы не только предоставляют новый перспективный материал для более эффективной и экологичной энергетики, но и теоретическую основу для создания новых систем с необходимой ионной проводимостью.
