Химики изучили структуру материала электролита для топливных установок

Ученые из Уральского федерального университета с помощью примесей облегчили кислородно-ионный и протонный транспорт в BaLaInO₄. Это соединение перспективно в качестве электролита для твердооксидных топливных элементов. Исследование опубликовано в журнале Journal of Raman spectroscopy. Работа поддержана грантом Президента для молодых ученых № MK-24.2019.3.

Топливные элементы — это устройства, которые перерабатывают энергию топлива в электрическую в ходе химической реакции. Они могут быть использованы в двигателях автомобилей, в космической промышленности. Одними из перспективных являются твердооксидные топливные элементы. В качестве электролита, который проводит электрический ток, в них выступают сложнооксидные материалы. Главная сложность заключается в том, что твердооксидные топливные элементы работают при температуре 700–1000 °С, что затрудняет их использование. Поэтому ученые ищут возможность снизить температуру, при которой эти устройства функционируют. Одним из вариантов может стать использование в качестве электролита среднетемпературных протонных проводников, работающих при 300–500 °С.

Эффективность их использования зависит от структуры вещества. Одними из потенциально пригодных являются соединения на основе BaLaInO₄ (бария, лантана и индия с кислородом). Ученые из Уральского федерального университета исследовали влияние допирования (добавления примесей) на структуру соединений на основе BaLaInO₄. В качестве допантов использовали атомы таких химических элементов, как стронций, барий, титан и ниобий. Вещества были получены в ходе твердофазного синтеза, то есть при последовательном измельчении порошков исходных реагентов и ступенчатом повышении температуры. Сперва исследователи подтвердили однофазность полученных соединений методом порошковой рентгенографии. Этот подход основан на дифракции (отклонении) рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решетке изучаемого вещества. Также авторы установили, что все образцы имеют ромбическую структуру.

Для изучения локальной структуры исследователи прибегли к спектроскопии комбинационного рассеяния света (рамановской спектроскопии). Суть метода заключается в том, что через образец исследуемого вещества пропускают луч с определенной длиной волны, который при контакте с образцом рассеивается. Затем полученные лучи с помощью линзы собираются в один пучок, усиливаются и направляются на детектор, с помощью которого фиксируется их частота. Так ученые подтвердили, что допирование приводит к появлению дефектов в кристаллической решетке — образуются кислородные вакансии (отсутствие кислорода в решетке в структурной позиции) и межузельный кислород (атом кислорода в «дополнительной» позиции). Также авторы исследования выяснили, что введение примесей приводит к расширению элементарной ячейки, при этом структура искажается меньше. В результате облегчается транспорт ионов кислорода и протонов, и ионная проводимость повышается. Вместе с тем улучшаются свойства вещества как электролитического материала.

«Мы исследовали влияние различных типов допирования на локальную структуру и транспортные свойства BaLaInO₄. Результаты нашей работы значительно расширяют понимание того, как перемещаются частицы в подобных материалах, и приближают момент, когда твердооксидные топливные элементы смогут получить широкое распространение», — рассказала Наталия Тарасова, доцент кафедры физической и неорганической химии Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.