Сделан шаг, который поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов — Naked Science
27 августа
НИУ ВШЭ

Сделан шаг, который поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов

4.4

Российская группа ученых, куда вошли специалисты из НИУ ВШЭ, провела исследование, которое поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов — одной из основных альтернатив современным источникам электричества.

Сделан шаг, который поможет улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов / ©Getty images

В журнале Journal of Alloys and Compounds опубликована совместная работа ученых из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Международного Физического Центра «Доностия» и Московского института электроники и математики имени А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ о свойствах двойных перовскитоподобных оксидов.

Экспериментальные измерения характеристик этих минералов до сих пор не соответствовали результатам теоретического моделирования, и авторы работы впервые поставили целью объяснить наблюдаемую разницу. Полученные данные позволят ученым в будущем улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов – одной из основных альтернатив современным источникам электричества.

В последнее время ученые все чаще предлагают использование топливных элементов в качестве замены всем известных гальванических батарей. В обычных батарейках вещества, на основе которых происходит генерация электричества, «зашиты» внутрь. Их количество ограничено, и батарейка перестает работать после того, как топливо израсходуется. В топливных элементах происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды, и при этом питание подается извне, а кислород берется из воздуха.

В результате, такая батарея может работать до тех пор, пока существует стабильная подача питания. Побочный продукт работы топливных элементов — только вода, благодаря чему они являются весьма экологичной альтернативой батареям на основе, например, марганца и цинка, которые нужно специальным образом утилизировать после окончания срока работы.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) — разновидность топливных элементов, в последнее время получившая особое внимание среди ученых. В качестве электролита — вещества, через которое в батарее взаимодействуют положительно и отрицательно заряженные электроды — в них выступает керамический материал, например, на основе диоксида циркония.

Среди преимуществ твердооксидных топливных элементов отмечают высокую эффективность, стабильность, возможность использования разных видов топлива и относительно низкую стоимость. Кроме того, в отличие от других типов топливных элементов, ТОТЭ могут иметь не только «плоскую» структуру, в которой между электродами помещается электролит, но и, например, быть выполнены в форме трубы, в которой воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы, а другой газ проходит по внешней стороне.

У твердооксидных топливных элементов есть также и основной недостаток: для их работы необходимы высокие температуры, порядка 500-1000 градусов Цельсия, которые поддерживают необходимые химические реакции. Для функционирования при более низких температурах в ТОТЭ нужно использовать дорогостоящие платиновые катализаторы, что критически увеличивает стоимость топливного элемента.

Именно поэтому в последнее время многие ученые уделяют внимание поиску способов снижения рабочих температур твердооксидных топливных элементов без потери эффективности выработки электричества. Исследования в этой области включают поиск высокоактивных катализаторов необходимых реакций, разработку методов синтеза компонентов топливных элементов и создание эффективных материалов для производства электродов.

В качестве электролитов, обладающих необходимыми для индустрии свойствами, ученые предлагают перовскитоподобные минералы. Перовскиты — класс минералов, состоящих из двух отрицательно заряженных и одного положительно заряженного иона, соединенных между собой.

Так, например, рассматриваются сложные оксиды молибдатов со структурой двойного перовскита A2MeMoO6, где A — кальций, стронций или барий, а Me — 3d-металлы или магний. При этом составы со стронцием, магнием или никелем были признаны наиболее перспективными. Эти оксиды обладают довольно хорошей электропроводностью, а также обладают устойчивостью к примесям серы и оксидов углерода в топливном газе.

Несмотря на привлекательность с практической точки зрения, понимание свойств двойных перовскитоподобных оксидов молибдена типа Sr2Mg1 −xNixMoO6 все еще не достаточно полное. Экспериментальные измерения свойств веществ расходятся с теоретическими предсказаниями на основе компьютерного моделирования, которые сами по себе также довольно сильно зависят от начальных предположений и используемого программного кода.

Авторы этой работы впервые попытались объединить компьютерное моделирование особенностей электронного спектра вещества и экспериментальные данные о том, как Sr2Mg1 −xNixMoO6 проводит электрический ток. Результаты исследования указывают на полупроводниковую природу проводимости Sr2Mg1 −xNixMoO6.

Как и в металлах, появление электрического тока в полупроводниках связано с движением заряженных частиц. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено строением вещества и связями электронов в атомах, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется многими факторами, среди которых наиболее важные – чистота полупроводника и его температура.

Ученые сходятся во мнении, что полупроводники могут эффективно использоваться в качестве электролитов в топливных элементах благодаря хорошим электрохимическим характеристикам и высокой ионной проводимости, и дальнейшее исследование свойств двойных перовскитоподобных оксидов откроет новые возможности использования этого многообещающего материала в различных энергетических технологиях.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — одно из крупнейших и самых востребованных высших учебных заведений России, стран СНГ и государств Восточной Европы. В НИУ ВШЭ представлены все уровни образовательной подготовки (от лицея для школьников до аспирантуры и MBA) по широкому спектру направлений в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также творческих специальностей. Научные подразделения ВШЭ — институты, центры, лаборатории, возглавляемые ведущими российскими и зарубежными учеными, ориентированы как на фундаментальные исследования, так и на прикладные разработки по заказам федеральных и региональных органов власти, министерств и ведомств, российских и зарубежных компаний. Высшая школа экономики стабильно занимает высокие места в предметных рейтингах Times Higher Education (THE) и QS, а также является единственным российским университетом в топ-50 рейтингов молодых университетов сразу двух агентств.
Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

Вчера, 17:21
Илья Ведмеденко

Одной из новинок международного авиационно-космического салона Airshow China 2021 станет разведывательно-ударный БПЛА CH-6. На показанных фотографиях его впервые можно рассмотреть детально.

Позавчера, 12:20
Алиса Гаджиева

Возможно, ценности были спрятаны от грабителей.

22 сентября
Василий Парфенов

Современная Красная планета представляет собой суровую безжизненную пустыню, однако геологические данные показывают, что некогда воды там было едва ли не больше, чем на Земле. Причин, по которым Марс потерял почти все необходимые для развития жизни ресурсы, предлагалось немало. Но теперь ученые обнаружили надежную корреляцию между размерами небесного тела и его способностью удерживать летучие вещества.

Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

20 сентября
Илья Ведмеденко

20 сентября, в 10:10 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-7» с грузовым кораблем «Тяньчжоу». Старт проведут в рамках программы строительства новой орбитальной станции «Тяньгун».

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: