Химики оптимизировали керамический материал для водородной энергетики

Коллектив ученых Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и Уральского федерального университета получил керамический материал для водородной энергетики. Химикам удалось синтезировать, исследовать и улучшить характеристики слоистого станната бария. Этот материал можно использовать в топливных элементах и электролизерах, с помощью которых генерируется водородная или электрическая энергия. Процесс синтеза и химические характеристики материала ученые описали в статье в Journal of Alloys and Compounds. Исследование поддержало Минобрнауки России (проект № 075-03-2021-051/5).

«Мы исследовали малоизученный на сегодня слоистый материал станнат бария с точки зрения его использования в высокотемпературных устройствах. Приготовили образцы и выяснили, что при длительном хранении на открытом воздухе он частично начинает распадаться на оксиды. Стабильность нам удалось повысить добавлением лантана, но не устранить проблему полностью. Однако, так как материал в целом обладает достаточно хорошими электронно-проводимыми характеристиками, его, безусловно, можно использовать в прикладных целях, если исключить его контакт с воздухом. Для понимания — к примеру, литийсодержащие компоненты в литий-ионных аккумуляторах тоже используются изолированно, так как при контакте с воздухом возгораются», — поясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев.

Станнат бария — оксид из бария и олова, прозрачный полупроводник с протонной, смешанной ионно-электронной или тройной проводимостью. Последние годы он привлекает внимание ученых и разработчиков из-за своих характеристик: высокой подвижности носителей заряда, химической и температурной стабильности, оптической прозрачности. При этом его характеристики можно оптимизировать за счет введения в материал разных компонентов, что и удалось сделать уральским химикам.

Отметим, в лаборатории водородной энергетики УрФУ синтезируют новые материалы и исследуют свойства недавно открытых, которые в будущем могут применяться в электрохимических устройствах — электролизеры, топливные элементы — для водородной энергетики. Данные материалы являются «сырьем» для электродов, электролитов, которые будут элементами устройств для преобразования энергии. Так, электролизеры преобразуют электрическую энергию в химическую, на выходе получается водород. Топливные элементы — наоборот: водородное топливо преобразовывают в электрическую энергию.

«Если, к примеру, мы говорим о твердооксидных высокотемпературных топливных элементах, то они работают при температурах 700 градусов Цельсия. Их нерационально использовать в автомобилях на водородном топливе, но они могут быть востребованы на заправках для таких автомобилей. Проблема в том, что водород летуч, и его транспортировка в баллонах опасна. Поэтому водород можно производить сразу на заправочных станциях с помощью такого электролизера. Это одно из направлений применения таких материалов», — поясняет директор научно-исследовательского института водородной энергетики УрФУ Павел Першин.

Кроме того, водород востребован на металлургических предприятиях, которым также могут пригодиться подобные установки. Топливные элементы можно устанавливать в местах, где затруднена электрификация — в полях, удаленных деревнях, домохозяйствах.