По мере того как глобальный спрос на энергию неуклонно растет, исследователи, промышленные лидеры и правительства активно ищут новые методы производства электричества. Эти усилия становятся особенно актуальными в условиях климатического кризиса и стремления найти альтернативы ископаемому топливу.
Одной из технологий, привлекающих значительное внимание, являются твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). В отличие от батарей, которые высвобождают накопленную химическую энергию, ТОТЭ преобразуют химическое топливо непосредственно в электричество и продолжают генерировать энергию, пока поступает топливо. Многие уже знакомы с водородными топливными элементами, использующими газообразный водород для производства электричества и воды.
Несмотря на высокую эффективность и длительный срок службы, ТОТЭ имеют существенный недостаток: для их корректной работы требуются чрезвычайно высокие температуры, порядка 700–800°C. Поддержание таких условий требует дорогостоящих специализированных материалов, способных выдерживать интенсивный нагрев, что значительно увеличивает стоимость систем.
Однако исследователи из Университета Кюсю, опубликовавшие свои результаты в журнале Nature Materials, заявляют о разработке ТОТЭ, который эффективно работает при значительно более низкой температуре – всего 300°C. По мнению команды, это открытие может существенно сократить затраты, способствовать созданию низкотемпературных ТОТЭ и ускорить их внедрение в реальные приложения.
В основе каждого ТОТЭ лежит электролит – керамический слой, который перемещает заряженные частицы между электродами топливного элемента. В водородных топливных элементах этот слой переносит ионы водорода (протоны), позволяя генерировать электричество. Обычно для достаточно быстрого перемещения этих протонов электролиту требуются крайне высокие температуры.
«Снижение рабочей температуры до 300°C позволит значительно сократить затраты на материалы и откроет путь к созданию систем потребительского уровня», – говорит профессор Йошихиро Ямадзаки из Платформы междисциплинарных энергетических исследований Университета Кюсю, возглавлявший исследование. «Однако ни одна известная керамика не могла переносить достаточное количество протонов с такой скоростью при подобных «теплых» условиях. Поэтому мы поставили цель преодолеть это узкое место».
Электролиты состоят из атомов, расположенных в кристаллической решетке. Протоны перемещаются через промежутки между этими атомами. Ученые годами исследовали различные материалы и химические легирующие добавки – вещества, изменяющие свойства материала – в надежде увеличить скорость движения протонов через решетку.
«Но это сопряжено с определенной проблемой, – объясняет Ямадзаки. – Добавление химических легирующих добавок может увеличить количество подвижных протонов, проходящих через электролит, но обычно это засоряет кристаллическую решетку, замедляя протоны. Мы искали оксидные кристаллы, которые могли бы вмещать много протонов и позволять им свободно перемещаться – баланс, который удалось достичь в нашем новом исследовании».
Команда обнаружила, что два оксида – станнат бария (BaSnO3) и титанат бария (BaTiO3), легированные высокими концентрациями скандия (Sc), достигают целевой протонной проводимости более 0,01 См/см при 300°C. Эта проводимость сопоставима с показателями современных электролитов ТОТЭ, работающих при 600–700°C.
«Структурный анализ и молекулярно-динамическое моделирование показали, что атомы скандия связывают окружающие их атомы кислорода, образуя «магистраль ScO6», по которой протоны перемещаются с необычайно низким барьером миграции. Этот путь является одновременно широким и мягко вибрирующим, что предотвращает захват протонов, обычный для сильно легированных оксидов», – объясняет Ямадзаки. «Данные по динамике решетки также выявили, что BaSnO3 и BaTiO3 по своей природе «мягче», чем обычные материалы ТОТЭ, что позволяет им поглощать значительно больше скандия, чем предполагалось ранее».
Эти результаты опровергают давнюю проблему, связанную с компромиссом между увеличением количества легирующих добавок и сохранением быстрой подвижности ионов, открывая перспективный путь к созданию доступных ТОТЭ средней температуры. «Помимо топливных элементов, тот же принцип может быть применен и к другим технологиям, таким как низкотемпературные электролизеры, водородные насосы и реакторы, преобразующие CO2 в ценные химикаты, тем самым усиливая эффект декарбонизации. Наша работа превращает давний научный парадокс в практичное решение, приближая доступную водородную энергию к повседневной жизни», – заключает Ямадзаки.
