Новый материал с уникальными свойствами, необходимыми для создания более эффективных топливных элементов, нашли ученые Самарского политеха. По их словам, соединение отличается от применяемых аналогов относительно низкой стоимостью. Результаты опубликованы в The Journal of Physical Chemistry С.

Топливные элементы (ТЭ) – относительно мобильные системы, производящие электроэнергию и тепло. По словам ученых, они способны как заменить генератор в туристическом походе, так и сыграть роль силовой установки мегаваттного класса.

Энергия в них извлекается за счет электрохимического взаимодействия газа-топлива и газа-окислителя через твердый электролит. В качестве окислителя в наиболее перспективных водородно-воздушных ТЭ используется атмосферный кислород, который в процессе работы элемента реагирует c водородом, образуя воду.

Для эффективной работы элемента электролит должен обладать высокой анионной проводимостью и не обладать никакой другой. Сегодня наиболее распространенными материалами электролита является стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония либо перовскиты, отметили ученые.

Команда химиков Самарского политеха вместе с коллегами путем суперкомпьютерного моделирования выявила новое вещество с нужными для ТЭ свойствами – магноколумбит MgNb2O6. По их словам, соединение отличается от применяемых электролитов относительно низкой стоимостью.

«Магноколумбит обладает только анионной проводимостью. Таких материалов известно очень немного, и найденный нами является перспективным кандидатом для развития технологий ТЭ», – рассказал старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования материалов Самарского политеха Артем Кабанов.

Как объяснили авторы работы, анионная проводимость обусловлена наличием дефектов в кристаллической решетке, из-за которых более подвижные ионы «перескакивают» на вакантную позицию поблизости, освобождая собственную.

Как подчеркнули ученые, на стадии компьютерного моделирования применялась уникальная методика, разработанная ранее в Самарском политехе. Экспериментальный анализ, по их словам, полностью подтвердил исключительные свойства магноколумбита и его модификаций, спрогнозированные теоретически.

«Реакция в ТЭ идет только при высокой температуре, поэтому электролит должен быть устойчив к ней. Магноколумбит в этом аспекте показал себя не хуже перовскитов или соединения на основе циркония и иттрия. Кроме того, магноколумбит устойчив к агрессивной среде топливного элемента и обладает подходящим коэффициентом линейного расширения», – отметил Артем Кабанов.

Применение магноколумбитов возможно не только в топливных элементах, но и, например, в датчиках-анализаторах газов, сообщили ученые.

Исследование проводилось совместно со специалистами из МНИЦТМ, Института химии Коми научного центра УрО РАН и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН. Работа поддержана грантом РНФ, проект № 19-73-10026 П.

В дальнейшем научный коллектив намерен продолжить разработки в области топливных элементов и подготовить электролит на основе магноколумбита к индустриальной реализации.

Источник: https://ria.ru/20230405/nauka-1862701952.html