КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-13-20026
НазваниеНовый класс электролитов с супер-протонной проводимостью на основе сложных оксидов, построенных по блочному типу из фрагментов различных структур, для практического применения в среднетемпературных электрохимических устройствах для водородной энергетики и экологической безопасности
РуководительАнимица Ирина Евгеньевна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№91 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые словасложные оксиды; структуры когерентного срастания; гексагональные перовскитоподобные структуры; высокотемпературные протонные проводники; анионное, оксо-анионное, катионное допирование; подвижность протонов; гидратация; химическая устойчивость; топливные элементы
Код ГРНТИ31.15.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Реализация концепции экологически чистой водородной энергетики стимулирует активные исследования ученых в этом направлении, в частности, разработку различных электрохимических устройств. На настоящий момент приоритетными являются работы по созданию топливных элементов (ТЭ), которые позволяют использовать водород для получения электрической энергии. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо и электрохимические генераторы на основе использования топливных элементов. В настоящее время мировым трендом являются разработки по созданию среднетемпературных ТЭ (500–700ºC и ниже), в которых в качестве электролитической мембраны используются сложнооксидные материалы с протонной проводимостью. Для таких твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) удается повысить КПД, существенно упростить их конструкцию и значительно снизить стоимость устройств. Основной проблемой создания эффективно работающих ТОТЭ является разработка газоплотных керамических материалов, сочетающих химическую и механическую стабильность с высокими значениями протонной проводимости. Химические взаимодействия компонентов топливных элементов, различия их термомеханических характеристик приводят к деградации и снижению эффективности работы ТЭ. Поэтому разработка новых инновационных материалов, позволяющих свести к минимуму процессы, приводящие к деградации, но при сохранении высоких значений протонной проводимости, является одной из главных задач современной энергетики.
В настоящем Проекте будет осуществлена разработка новых материалов на основе структур когерентного срастания (Ba7Sc/In6Al2O19), обладающих комплексом функциональных свойств – высокими и стабильными значениями проводимости, химической и механической стойкостью. В 2020-х гг. появились зарубежные публикации об обнаружении супер-протонной проводимости в сложных оксидах со структурой когерентного срастания. Значимый уровень протонной проводимости в таких фазах сохраняется вплоть до низких температур (200 оС), что обеспечивается низкими энергиями активации (0.2-0.3 эВ). Соответственно, можно говорить о формировании нового класса протоников с высокими значениями протонной проводимости. В России эти соединения с точки зрения протонной проводимости не исследуются. Нам удалось синтезировать новые фазы когерентного срастания, которые по протонной проводимости не уступают лучшим мировым аналогам. Структурная гибкость этого класса материалов позволяет в рамках одного структурного типа сочетать комплекс свойств и, в тоже время, осуществлять “подгонку” необходимых характеристик. Для таких материалов и их модифицированных составов в рамках настоящего Проекта предполагается провести комплексное физико-химическое исследование, будет выявлена взаимосвязь между составом вещества, его кристаллической и дефектной структурой и функциональными свойствами, в том числе, химической устойчивостью и протонной проводимостью, включая особенности переноса протонов. Возможность использования полученных материалов в качестве твердых электролитов в топливных элементах, работающих в области средних температур (300−700 оС), будет продемонстрирована в модельных ТОТЭ.
Ожидаемые результаты
Будут получены сведения о процессах фазообразования, установлены области гомогенности твердых растворов на основе новых сложнооксидных фаз - структур когерентного срастания, аттестована структура методом полнопрофильного анализа Ритвельда, идентифицированы возможные структурно-химические трансформации.
Будут разработаны оптимальные режимы твердофазных методов синтеза и отработаны методики получения соединений растворными методами.
Будут получены данные о химическом составе синтезированных фаз, на основе которых будет проводиться корректировка режимов синтеза с целью получения заданного состава и осуществляться выбор оптимальных исходных реагентов (прекурсоров).
Будет получена информация о размерах кристаллитов, однородности распределения элементов, выявлены морфологические особенности.
Будут установлены Т-рО2-рН2О области доминирования различных типов носителей тока, рассчитаны и проанализированы основные параметры электропереноса (энергии активации, числа переноса ионов). Будут рассчитаны парциальные проводимости.
Будут проведены расчеты подвижностей протонов.
Будут определены степени гидратации, температурные интервалы устойчивости гидратированных фаз, температуры фазовых переходов и установлена взаимосвязь с дефектностью и кристаллическим строением.
Будет проведена идентификация кислородно-водородных групп и установлены формы нахождения протонов в исследуемых фазах.
Будут получены сведения об устойчивости полученных фаз в широких интервалах Т, рО2, рН2О, их химической стойкости в атмосферах водорода и углекислого газа, химической и термической совместимости с известными электродными материалами.
На основе комплекса физико-химических исследований, проведенного для широкого круга систем, будут отобраны перспективные составы для тестирования в ТОТЭ.
Все это даст представление о фундаментальной взаимосвязи состава, строения и свойств для нового класса протонных электролитов – сложных оксидов со структурой когерентного срастания.
В результате проведенных исследований будут получены плотноспеченные керамические материалы со значениями протонной проводимости не менее 10-2–10-3 См/см в рабочем диапазоне температур 300−700оС, термодинамически стабильные в температурном интервале 25–1200оС, химически стойкие в окислительной и восстановительной атмосферах (рО2 =10-20 – 1 атм) в широком интервале парциальных давлений паров воды (рH2O = 5·10ـ5 – 2·10-2 атм).
На технологическом уровне это даст уникальную возможность создать новые материалы для применения в качестве электролитических мембран в средне-температурных ТОТЭ, являющихся перспективными и экологически безопасными источниками энергии высокой эффективности.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ