В журнале Journal of Alloys and Compounds опубликована совместная работа ученых из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Международного физического центра «Доностия» и Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ о свойствах двойных перовскитоподобных оксидов. Экспериментальные измерения характеристик этих минералов до сих пор не соответствовали результатам теоретического моделирования, и авторы работы впервые поставили целью объяснить наблюдаемую разницу. Полученные данные позволят ученым в будущем улучшить технологии создания низкотемпературных топливных элементов — одной из основных альтернатив современным источникам электричества.
В последнее время ученые все чаще предлагают использование топливных элементов в качестве замены всем известных гальванических батарей. В обычных батарейках вещества, на основе которых происходит генерация электричества, «зашиты» внутрь. Их количество ограничено, и батарейка перестает работать после того, как топливо израсходуется. В топливных элементах происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды, и при этом топливо подается извне, а кислород берется из воздуха. В результате, такая батарея может работать до тех пор, пока существует стабильная подача питания. Побочным продуктом работы топливных элементов является только вода, благодаря чему они являются весьма экологичной альтернативой батареям на основе, например, марганца и цинка, которые нужно специальным образом утилизировать после окончания срока работы.
Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) — разновидность топливных элементов, в последнее время получившая особое внимание среди ученых. В качестве электролита — вещества, через которое в батарее взаимодействуют положительно и отрицательно заряженные электроды — в них выступает керамический материал, например, на основе диоксида циркония.
Среди преимуществ твердооксидных топливных элементов отмечают высокую эффективность, стабильность, возможность использования разных видов топлива и относительно низкую стоимость. Кроме того, в отличие от других типов топливных элементов, ТОТЭ могут иметь не только «плоскую» структуру, в которой между электродами помещается электролит, но и, например, быть выполнены в форме трубы, в которой воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы, а другой газ проходит по внешней стороне.
У твердооксидных топливных элементов есть также и основной недостаток: для их работы необходимы высокие температуры, порядка 500-1000 °C, которые поддерживают необходимые химические реакции. Для функционирования при более низких температурах в ТОТЭ нужно использовать дорогостоящие платиновые катализаторы, что критически увеличивает стоимость топливного элемента.
Именно поэтому в последнее время многие ученые уделяют внимание поиску способов снижения рабочих температур твердооксидных топливных элементов без потери эффективности выработки электричества. Исследования в этой области включают поиск высокоактивных катализаторов необходимых реакций, разработку методов синтеза компонентов топливных элементов и создание эффективных материалов для производства электродов.
В качестве электролитов, обладающих необходимыми для индустрии свойствами, ученые предлагают перовскитоподобные минералы. Перовскиты — класс минералов, состоящих из двух отрицательно заряженных и одного положительно заряженного иона, соединенных между собой. Так, например, рассматриваются сложные оксиды молибдатов со структурой двойного перовскита A2MeMoO6, где A — кальций, стронций или барий, а Me — 3d-металлы или магний. При этом составы со стронцием, магнием или никелем были признаны наиболее перспективными. Эти оксиды обладают довольно хорошей электропроводностью, а также обладают устойчивостью к примесям серы и оксидов углерода в топливном газе.
Несмотря на привлекательность с практической точки зрения, понимание свойств двойных перовскитоподобных оксидов молибдена типа Sr2Mg1 – xNixMoO6 все еще не является достаточно полным. Экспериментальные измерения свойств веществ расходятся с теоретическими предсказаниями на основе компьютерного моделирования, которые сами по себе также довольно сильно зависят от начальных предположений и используемого программного кода.
Авторы данной работы впервые попытались объединить компьютерное моделирование особенностей электронного спектра вещества и экспериментальные данные о том, как Sr2Mg1 – xNixMoO6 проводит электрический ток. Результаты исследования указывают на полупроводниковую природу проводимости Sr2Mg1 – xNixMoO6. Как и в металлах, появление электрического тока в полупроводниках связано с движением заряженных частиц. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено строением вещества и связями электронов в атомах, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется многими факторами, среди которых наиболее важными являются чистота полупроводника и его температура.
Ученые сходятся во мнении, что полупроводники могут эффективно использоваться в качестве электролитов в топливных элементах благодаря хорошим электрохимическим характеристикам и высокой ионной проводимости, и дальнейшее исследование свойств двойных перовскитоподобных оксидов откроет новые возможности использования этого многообещающего материала в различных энергетических технологиях.
