Гадолиний улучшил проводимость материала для водородной энергетики в 20 раз

Уральские ученые предложили новый электролитный материал для водородной энергетики: в его основу легли модифицированные редкоземельным гадолинием слоистые перовскиты. Результаты работы позволят расширить технологии «зеленой» энергетики и тем самым снизить углеродные выбросы. С исследованием, выполненным при поддержке Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Materials.

Сейчас газ, нефть и каменный уголь — основные источники энергии как в нашей стране, так и за рубежом. Однако их запасы не безграничны и рано или поздно будут исчерпаны. Так, по оценкам Минприроды России, за последнее десятилетие запасы сырой нефти уменьшились почти на 30%, а газа — на 27%. Традиционная энергетика на углеродном топливе усугубляет и глобальное потепление за счет выброса большого количества парниковых газов в атмосферу: в прошлом году поступивший объем только СО2 составил более 36,7 миллиардов тонн.

На фоне роста населения Земли и экологического кризиса все актуальнее становится разработка новых и улучшение имеющихся «зеленых» способов получения энергии. Среди них наибольшее внимание привлекает солнечная энергетика, однако она сильно зависит от угла падения лучей и не будет достаточно эффективна в приполярных регионах, а еще не способна обеспечить мощности крупных заводов.

Еще один фаворит — водородная энергетика. В ее основе лежит сгорание водорода в атмосфере кислорода, в результате чего высвобождается огромное количество энергии и получается вода, а не иные опасные для людей и природы оксиды, как в случае традиционной углеродной энергетики. Хотя такой процесс очень эффективен, высоки риски взрыва газа. Тогда можно рассмотреть водородную энергетику с другой стороны: в ходе различных химических реакций использовать водород для получения ионов, называемых протонами, а их применять как носители заряда в новых электронных устройствах.

Сотрудники Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и Института водородной энергетики Уральского федерального университета (Екатеринбург) создали новый материал для водородной энергетики. В его основу легли слоистые перовскиты. Они обладают хорошей проводимостью, также на их основе можно создавать системы, где в электричество будет конвертироваться энергия химических реакций.

Классический перовскит АВО3 (где А и В — два разных элемента, а О — кислород) представляет собой сеть восьмигранников, соединенных друг с другом всеми вершинами, и каждый атом кислорода включен в эту сеть. В слоистых перовскитах AA'BO4 восьмигранники связаны в слои, отделенные друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Она является более «гибкой», чем у классического перовскита, что может открывать дополнительные возможности для ее усовершенствования.

Авторы работы решили модифицировать слоистые перовскиты BaLaInO4 (Ba — барий, La — лантан, In — индий, О — кислород), добавив в них атомы редкоземельного гадолиния, который также способен увеличивать проводимость материалов. В данном случае такой эффект обусловлен тем, что в системе изначально были редкоземельные ионы — лантана, — а добавка их «родственника» гадолиния привела к большему отталкиванию восьмигранников в кристаллической решетке. В результате пространство для переноса заряженных частиц расширилось.

Эксперименты показали, что модификация улучшила проводимость материала в сухих условиях примерно в 12 раз (в сравнении с исходным материалом), при этом ее обеспечивало в основном движение ионов кислорода. Во влажной среде добавлялся еще один механизм переноса заряда — протонный, то есть теперь носителями заряда были ионы водорода, что и необходимо для создания устройств водородной энергетики. В этом случае при температурах ниже 400℃ добавка гадолиния улучшила проводимость в 20 раз.

«Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что модифицированный слоистый перовскит может стать основой для устройств водородной энергетики. В настоящий момент мы работаем над созданием материалов, которые могли бы эффективно сочетаться по комплексу физико-химических свойств в твердооксидном топливном элементе, а также в дальнейшем планируем их тестирование в составе электрохимического устройства. Это является одной из важнейших задач, стоящих перед нами — осуществить переход от фундаментального материаловедения к дизайну электрохимических устройств, соединив, таким образом, фундаментальную и прикладную науку, — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталия Тарасова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах ИВТЭ УрО РАН и профессор Уральского федерального университета.