Прорыв в электролитных технологиях открывает путь к доступному водородному топливу при низких температурах.

Исследователи из Университета Кюсю (Kyushu University) разработали твердооксидный топливный элемент (SOFC), работающий при температуре всего 300°C, что менее чем вдвое ниже обычной рабочей температуры. Команде удалось добиться этого, создав в электролите "шоссе из ScO6", позволяющее протонам быстро перемещаться без потери производительности. "Ожидается, что новые открытия приведут к разработке недорогих, низкотемпературных SOFC и значительно ускорят практическое применение этих устройств", – заявили исследователи в пресс-релизе.

Как сообщает Interesting Engineering, "Несмотря на многообещающую высокую эффективность и долгий срок службы, одним из основных недостатков SOFC является необходимость работы при высоких температурах около 700-800°C (1292F-1472F)". Такая высокая температура требует использования дорогостоящих специализированных жаропрочных материалов, что делает технологию дорогостоящей для многих применений. Снижение рабочей температуры, как ожидается, позволит снизить производственные затраты.

Успех команды связан с перепроектированием электролита топливного элемента – керамического слоя, который транспортирует протоны (ионы водорода) для выработки электроэнергии. Ранее ученые сталкивались с компромиссом: добавление химических допантов в электролит увеличивало количество доступных протонов, но также имело тенденцию забивать кристаллическую решетку материала, замедляя движение протонов и снижая производительность. Команда из Кюсю работала над решением этой проблемы. "Мы искали оксидные кристаллы, которые могли бы вместить много протонов и позволить им свободно перемещаться – баланс, которого нам наконец удалось достичь в нашем новом исследовании", – заявил Ямазаки (Yamazaki).

Они обнаружили, что путем легирования двух соединений, станната бария (BaSnO3) и титаната бария (BaTiO3), высокими концентрациями скандия (Sc), они могут создать эффективную структуру. Их анализ показал, что атомы скандия образуют то, что исследователи называют "шоссе из ScO6". Эта структура создает широкую и мягко вибрирующую траекторию внутри материала. "Эта траектория широкая и мягко вибрирующая, что предотвращает захват протонов, который обычно преследует сильно легированные оксиды", – пояснил Ямазаки. Полученный материал достигает протонной проводимости более 0,01 С/см при 300°C, что соответствует уровню производительности традиционных электролитов SOFC, работающих при более чем вдвое более высокой температуре. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.