Твердооксидные топливные элементы, или SOFC, представляют собой тип электрохимического устройства, которое вырабатывает электричество, используя водород в качестве топлива, при этом единственным «отходом» является вода. Естественно, поскольку мы стремимся сократить выбросы углерода и смягчить последствия климатического кризиса, как бизнес, так и академические круги проявляют большой интерес к разработке ТОТЭ.
Что потенциально может ускорить разработку более эффективных ТОТЭ, исследовательская группа под руководством Университета Кюсю раскрыла химическую внутреннюю работу электролита на основе перовскита, который они разработали для ТОТЭ. Команда объединила анализ синхротронного излучения, крупномасштабное моделирование, машинное обучение и термогравиметрический анализ, чтобы раскрыть активный участок , в котором атомы водорода внедряются в решетку перовскита в процессе производства энергии. Результаты были опубликованы в журнале Chemistry of Materials.
На фундаментальном уровне топливный элемент — это просто устройство, которое вырабатывает электричество, способствуя расщеплению атома водорода на его положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Электрон используется для выработки электричества, а затем объединяется с протоном и кислородом и производит воду как «отходы».
Материалом в буквальном центре всего этого является электролит. Этот материал действует как атомное сито, которое облегчает перенос определенных атомов через топливный элемент. В зависимости от типа топливного элемента эти атомы могут быть протонами или кислородом.
В то время как ТОТЭ могут быть непривычным термином для многих людей, эта технология уже коммерциализирована в генераторах для домов на одну семью. Тем не менее, они остаются дорогими, и одним из самых больших препятствий является их высокая рабочая температура.
«Обычные ТОТЭ должны иметь температуру 700–1000 ℃, чтобы электролит работал эффективно», — объясняет профессор Ёсихиро Ямадзаки из Платформы междисциплинарных/трансдисциплинарных энергетических исследований Университета Кюсю, который руководил исследованием. «Естественно, идет глобальная гонка за разработку электролитов ТОТЭ, которые могут работать при более низких температурах около 300-450 ℃. Одним из таких многообещающих материалов являются перовскиты».
Перовскиты — это категория материалов с особой кристаллической структурой, которая позволяет им обладать уникальными физическими, оптическими и даже электрическими свойствами. Более того, поскольку их можно искусственно синтезировать из различных атомов, большое количество исследований сосредоточено на разработке и тестировании почти бесконечного числа возможных перовскитов.
Одним из таких случаев является разработка лучших электролитов ТОТЭ.
«В нашей предыдущей работе мы разработали перовскит на основе бария и циркония с химическим составом BaZrO 3 . Заменив позицию Zr на скандий с высокой концентрацией, или Sc, нам удалось создать высокоэффективный электролит, который может работать на нашей цели. температура 400 ℃», — объясняет Ямадзаки. «Конечно, это была только часть того, что мы хотели найти. Мы также исследовали вопрос, который не был решен более трех десятилетий: куда в решетке электролита внедряются протоны?»
Исследование внутренней работы ТОТЭ было затруднено из-за его высокой рабочей температуры и изменения давления воды, источника водорода для топливных элементов.
Чтобы обойти эти проблемы, команда провела эксперименты по рентгеновской абсорбционной спектроскопии на своем перовскитном электролите с использованием синхротронного излучения — электромагнитного излучения, испускаемого ускорителями частиц — в то время как топливный элемент был активен при температуре около 400 ℃.
«Эти результаты дали нам представление о том, где в химической структуре материала будут включены протоны. Исходя из этого, мы применили машинное обучение и с помощью суперкомпьютера рассчитали возможные структурные конфигурации материала», — продолжил Ямадзаки. «Тщательно сравнив предсказанные результаты с экспериментальными данными, мы смогли прояснить структурные изменения, которые происходят с электролитом, когда он активен».
«Теперь, когда у нас есть фундаментальная внутренняя работа электролита, мы можем оптимизировать его наноструктуры и даже предложить новые материалы, которые могут привести к созданию более эффективных топливных элементов и даже таких, которые работают в более широком диапазоне температур», — заключает Ямадзаки.
