Химики оценили влияние оксида меди на свойства протонпроводящей керамики
Улучшения проводящих свойств электролитов из протонпроводящей керамики при снижении температуры ее синтеза добилась команда химиков из российских и зарубежных научных организаций, сообщает 15 ноября пресс-служба Уральского федерального университета (УрФУ).
Нужного эффекта химики добились за счет добавки оксида меди в станнат бария (керамический протонпроводящий материал из оксидов бария и олова). Это привело к снижению температуры спекания материала, что позволит создавать такие материалы в промышленных масштабах.
Кроме того, многостороннее исследование влияния этой спекающей добавки на электрохимические свойства такой керамики обеспечивает новые возможности в создании и исследовании протонпроводящей керамики.
Статья «Представление о зерне и межзеренном переносе протонпроводящей керамики: пример BaSn₀, ₈Y₀, ₂O₃₋δ» с описанием керамики и способа ее получения опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Инженер-исследователь лаборатории водородной энергетики УрФУ Георгий Старостин рассказал о предмете исследования:
«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 (ТОТЭ), электролизерах (ТОЭ) для водородной энергетики и многих других сферах».
Модификация станната бария иттрием делает его привлекательным для исследователей из-за высокой подвижности носителей заряда, химической и температурной стабильности, оптической прозрачности. При этом все эти желаемые характеристики достаточно просто можно оптимизировать с помощью добавок в материал различных элементов, рассказал ученый.
Однако получение высокой плотности у керамики из станната бария требует высоких температур (порядка 1600 °C). Команда химиков снизила необходимую температуру спекания за счет специальной добавки — оксида меди. Свойства материала, получаемого таким способом, было всесторонне исследовано.
«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», — пояснил Старостин.
Для определения влияния спекающей добавки из оксида меди на электрохимические свойства керамики из станната бария ученые использовали метод импедансной спектроскопии. Импеданс (электрическое сопротивление) измерили при разных температурах, парциальных давлениях кислорода и влажности, рассказал ученый.
Для исследования электрохимических свойств нового материала учеными была создана и запатентована уникальная установка, позволяющая изучать низкотемпературные свойства любых керамических материалов, в том числе протонных электролитов.
В числе низкотемпературных свойств исследователи изучили как объемную, так и зернограничную проводимость керамики — поскольку станнат бария представляет собой поликристаллический материал, перенос заряда в котором происходит внутри и по границам зерен.
Протонная проводимость, являющаяся одним из основных свойств твердых электролитов, может изменяться путем изменения структурных параметров, таких как плотность, пористость, размер зерен, введения примесей и др.
«Механизм ионного и электронного переноса через зерна и границы зерен в таких оксидных материалах неодинаков. Из-за различной химии зерен и их границ появляются слои пространственного заряда, локальные структурные искажения и дефекты, сегрегирующиеся на границах зерен. Поэтому исследование особенностей ионного и электронного транспорта является чрезвычайно важным направлением для разработки высокопроводящих электролитов, которые используются в ТОТЭ и ТОЭ», — уточнил Георгий Старостин.
Исследователи отмечают в своей статье, что разработка новых протонпроводящих электролитов является важным направлением современной высокотемпературной электрохимии и водородной энергетики.
Полученная учеными информация имеет перспективы для применения при разработках датчиков и сенсоров. Так, установленная высокая чувствительность протонпроводящей керамики к количеству влаги в атмосфере может найти применение при создании высокотемпературных датчиков воды, используемых, в том числе, на атомных станциях, в газопаровых турбинах, электрогенераторах и установках для водородной энергетики.
В проведенном исследовании, кроме специалистов УрФУ, участие принимали ученые из Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Гонконгского университета науки и технологии и Байройтского университета в Германии.
