Физики предложили новый материал для топливных элементов
Российские физики представили новый материал для создания проводящих мембран твердого электролита, устойчивых к длительным температурным и токовым нагрузкам, для применения в качестве анион-проводящей мембраны твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Работа опубликована в журнале Membranes. Жидкие электролиты — водные растворы, или расплавы, солей, кислот — известны давно. Они работают в аккумуляторах и батарейках, применяются для получения и очистки металлов, щелочей, органических соединений, для никелирования и анодирования. Но есть еще один класс подобных веществ — твердые электролиты. Их использование в системах накопления обещает значительно увеличить удельную энергоемкость и, как следствие, увеличить эффективность батарей и уменьшить их размеры. Также без твердых электролитов невозможно создать наиболее эффективные устройства для получения электроэнергии из газообразных углеводородов — батареи и энергетические установки на ТОТЭ.
Дмитрий Агарков, доцент ФЭФМ, заведующий лабораторией топливных элементов МФТИ, поясняет: «Одной из актуальных проблем является эффективное получение чистой электроэнергии из ископаемых углеводородных источников с минимальными выбросами загрязняющих веществ и углекислого газа в атмосферу. Твердооксидные топливные элементы играют важную роль в достижении этой цели — на сегодняшний день неизвестен более эффективный метод преобразования химической энергии топлива в электрическую. Материалы на основе диоксида циркония являются хорошо известными твердыми электролитами и широко используются в качестве электролитических мембран в твердооксидных топливных элементах. Поэтому в наших исследованиях мы сосредоточились на них».
Твердооксидные топливные элементы применяют в стационарных электростанциях в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения. Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло за счет электрохимической реакции, в их составе функционируют электролит, катод и анод. Токогенерирующие реакции в твердооксидных топливных элементах происходят при температурах от 600 до 1000 градусов Цельсия.
Однако длительное воздействие на электролитические мембраны повышенных рабочих температур и высоких токовых нагрузок может привести к их старению и ухудшению их характеристик (деградации). Поэтому важно изучить все возможные протекающие явления для усовершенствования состава и технологии производства. Несмотря на то, что в твердых электролитах широко используется диоксид циркония, стабилизированный скандием и/или иттрием с дополнительным легированием, длительное воздействие на него высоких температур изучено мало. Высокая рабочая температура является сдерживающим фактором, поэтому ученые исследуют, как можно ее снизить и повысить устойчивость материалов.
В общем случае существуют три независимые причины старения твердых электролитов на основе ZrO2: распад твердого раствора с образованием новых фаз; упорядочение катионов и кислорода в кристаллической решетке твердого раствора; и изменение электропроводности границ зерен.
В этой работе российские физики изучали процессы старения твердых электролитов при отжиге. Твердые электролиты представляли собой твердые растворы на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами различных редкоземельных элементов.
Исследователи вырастили монокристаллы диоксида циркония с легирующими добавками методом направленной кристаллизации из расплава. Как источник нагрева использовался высокочастотный генератор частотой 5,28 МГц и выходной мощностью 63 кВт. В качестве исходного сырья использовали порошки оксидов циркония, скандия и иттербия чистотой не менее 99,99 процентов. Порошки в необходимых пропорциях механически смешивали и загружали в тигель. В результате был получен поликристаллический слиток, состоящий из нескольких десятков отдельных монокристаллов. Размеры монокристаллов составляли 40 миллиметров в длину и 20 миллиметров в диаметре. Следует отметить, что при увеличении массы расплава данный метод выращивания позволяет получать монокристаллы диаметром до 100 миллиметров.
Для проведения структурных и электрофизических исследований из центральной части монокристаллов перпендикулярно направлению роста вырезали пластины толщиной 0,5 миллиметра. На рисунке 1 представлены полученные образцы.
Исследование высокотемпературной деградации ученые провели на монокристаллических мембранах двух типов образцов, различающихся концентрациями добавок. Также были проведены сравнения с образцами, полученными без добавления иттербия. Было выяснено, что последовательная замена оксида скандия на оксид иттербия приводит к монотонному увеличению параметра решетки, что свидетельствует о полной растворимости оксида иттербия с образованием твердого раствора.
Затем было замерено комплексное сопротивление полученных структур. Результаты исследования показали, что в образцах с двухпроцентным содержанием изменяется фазовый состав после состаривания. И, как следствие, уменьшается проводимость на 55 процентов. В то же время образцы с однопроцентным содержанием иттербия, напротив, практически не стареют при длительном воздействии высоких температур. Такие мембраны сохранили свой фазовый состав после старения. Эта фазовая стабильность приводит и к стабильной проводимости: после 4800 часов выдержки при температуре 1123 Кельвинов деградация проводимости составляла не более четырех процентов.
Исследования найдут широкое применение при создании устройств с батареями на основе твердых электролитов. Например, для потенциометрических датчиков состава газа, кислородных насосов и электролизеров.
Работу провела объединенная команда ученых из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, МИСиС и МФТИ с коллегами из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН и Московского политеха.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Авторы нового исследования провели сравнительный анализ видов паукообразных и выяснили, какие эволюционные и биомеханические факторы делают одних пауков быстрыми, а других — медленными. Параллельно ученые выделили из этой группы рекордсмена по скорости перемещения.
Сотрудники факультета экономических наук НИУ ВШЭ показали, что точность прогноза рождаемости в России можно улучшить почти в полтора раза, если добавить в модель динамику поисковых запросов по темам, связанным с беременностью и родами. В наиболее эффективных моделях ошибка прогноза снижается с 4,6 до 3,2%.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно