Химики изучили влияние спекающей добавки на материал для водородной энергетики. Научный коллектив из России, Китая и Германии добавил спекающую добавку (оксид меди) в станнат бария, благодаря чему удалось снизить температуру спекания материала. Их работа открывает новые возможности в создании и исследовании протонпроводящей керамики, так как, во-первых, позволяет создавать такие материалы в больших масштабах (с помощью спекающей добавки), а во-вторых, улучшит проводящие свойства электролитов и таким образом повысит производительность устройств для преобразования энергии. Статья с описанием керамики и способа его получения опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
«Станнат бария — это относительно новый класс протонпроводящей керамики со структурой перовскита. Такие материалы используют в качестве сверхпроводников, ионных проводников, магнитных, сегнетоэлектрических материалов и в качестве компонентов солнечных панелей. Также они являются перспективными для использования в твердооксидных топливных элементах, электролизерах для водородной энергетики и многих других сферах», — поясняет инженер-исследователь лаборатории водородной энергетики УрФУ Георгий Старостин.

В силу крайней чувствительности к количеству влаги в атмосфере полученный учеными материал также перспективен для высокотемпературных датчиков воды и сенсоров, которые используют, к примеру, на атомных станциях, газопаровых турбинах, электрогенераторах, установках для водородной энергетики. Однако сложность создания материала заключается в том, что плотный станнат бария можно получать только при высоких температурах (порядка 1600 °C). Химики решили эту проблему добавлением спекающей добавки — оксида меди.

«При высоких температурах некоторые компоненты вещества в прямом смысле могут улетать, выходить из структуры. Чтобы этого избежать, в материал добавляют спекающие добавки — легкоплавкие фазы, которые плавятся и способствуют созданию плотного материала при более низких температурах. Иными словами, твердофазным методом синтеза без спекающей добавки получить этот материал практически невозможно. Мы показали, что спекающие добавки можно использовать, и определили их влияние на электрохимические свойства керамики. Для этого использовали метод импедансной спектроскопии. Импеданс измерили при разных температурах, парциальных давлениях кислорода и влажности», — поясняет Георгий Старостин.

Низкотемпературные свойства нового материала ученые исследовали на уникальной установке, которую собрали самостоятельно. С ее помощью можно изучать свойства любых керамических, в том числе протонных, электролитов. Патент на установку разработчики получили в октябре 2023-го.

«Установку мы собрали полностью сами. Ее уникальность в том, что она позволяет измерять электрохимические свойства — импеданс — при разных давлениях кислорода, влажности и температурах», — добавляет Старостин.

При исследовании низкотемпературных свойств ученые изучили объемную и зернограничную проводимость керамики, так как станнат бария — это поликристаллический материал, в котором перенос заряда осуществляется внутри и по границам зерен. Влиять на протонную проводимость — одно из основных свойств электролитов — можно за счет структурных параметров: плотности, пористости, размера зерен, примесей и пр.

Разработка новых протонпроводящих электролитов является важным направлением современной высокотемпературной электрохимии и водородной энергетики, добавляют авторы работы.

«В рамках этого направления мы несколько лет назад сосредоточили внимание на относительно новом классе протонных проводников — акцепторно-допированном станнате бария, — который, как оказалось, обладает рядом интересных особенностей, нехарактерных для других представителей этого класса. Начав с вопросов материаловедения, мы получили важную информацию с точки зрения их синтеза, получения плотной керамики, стабильности и термомеханических свойств. Позже — начали исследовать электротранспортные характеристики. На примере станната бария мы впервые выявили наличие двух типов границ зерен, которые имеют свои отклики на импедансе», — рассказал заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев.

Отметим, в исследовании приняли участие специалисты Уральского федерального университета, Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Гонконгского университета науки и технологии (Гонконг) и Байройтского университета (Германия). Исследование выполнено при финансовой поддержке по программе «Приоритет-2030» (стратегический проект «Материалы и технологии для водородной и ядерной энергетики»). Работа подготовлена в рамках бюджетных планов лаборатории водородной энергетики УрФУ и ИВТЭ УрО РАН на базе Центра коллективного пользования «Состав вещества».