Химики обнаружили влияние оксида меди на электрохимические свойства керамики

Химикам удалось снизить температуру синтеза протонпроводящей керамики. Они добавили в станнат бария оксид меди, что позволило снизить температуру спекания материала, и изучили влияние этой добавки на свойства керамики. Это прорывное исследование открывает новые возможности в создании и исследовании протонпроводящей керамики, так как, во-первых, позволяет создавать такие материалы в промышленных масштабах (с помощью спекающей добавки), а во-вторых, улучшит проводящие свойства электролитов и таким образом повысит производительность устройств для преобразования энергии. Статья с описанием керамики и способа его получения опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

«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. Станнат бария, модифицированный иттрием, привлекателен для исследователей благодаря высокой подвижности носителей заряда, химической и температурной стабильности, оптической прозрачности. Причем все эти характеристики легко оптимизировать, если ввести в материал разные элементы», — поясняет инженер-исследователь лаборатории водородной энергетики УрФУ Георгий Старостин.

Сложность в том, что плотный станнат бария можно получать только при высоких температурах (порядка 1600 °C). Химики решили эту проблему добавлением спекающей добавки — оксида меди — и всесторонне исследовали ее влияние. Таким образом ученые разработали новый способ изучения керамики.

«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. Иными словами, твердофазным методом синтеза без спекающей добавки получить этот материал плотным практически невозможно. Мы показали, что спекающие добавки можно использовать, и определили их влияние на электрохимические свойства керамики. Для этого использовали метод импедансной спектроскопии. Импеданс измерили при разных температурах, парциальных давлениях кислорода и влажности», — поясняет Георгий Старостин.

Исследование низкотемпературных свойств нового материала ученые выполнили на уникальной установке, которую собрали самостоятельно. С ее помощью можно изучать свойства любых керамических, в том числе протонных, электролитов. Патент на установку разработчики получили в октябре 2023-го.

«Установку мы собрали полностью сами. Ее уникальность в том, что она позволяет измерять электрохимические свойства — импеданс — при разных давлениях кислорода, влажности и температурах», — добавляет Старостин.

При исследовании низкотемпературных свойств ученые изучили объемную и зернограничную проводимость керамики, так как станнат бария — это поликристаллический материал, в котором перенос заряда осуществляется внутри и по границам зерен. Влиять на протонную проводимость — одно из основных свойств электролитов — можно за счет структурных параметров: плотности, пористости, размера зерен, примесей и пр.

«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», — поясняет Георгий Старостин.

Разработка новых протонпроводящих электролитов является важным направлением современной высокотемпературной электрохимии и водородной энергетики, добавляют ученые.

«В рамках этого направления мы несколько лет назад сосредоточили внимание на относительно новом классе протонных проводников — акцепторно-допированном станнате бария, — который, как оказалось, обладает рядом интересных особенностей, нехарактерных для других представителей этого класса. Начав с вопросов материаловедения, мы получили важную информацию с точки зрения их синтеза, получения плотной керамики, стабильности и термомеханических свойств. Позже — начали исследовать электротранспортные характеристики. На примере станната бария мы впервые выявили наличие двух типов границ зерен, которые имеют свои отклики на импедансе», — рассказал заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев.

Полученный учеными материал также перспективен для использования в датчиках и сенсорах. Протонпроводящая керамика крайне чувствительна к количеству влаги в атмосфере, что является важной составляющей для высокотемпературных датчиков воды. Такие датчики используют, к примеру, на атомных станциях, газопаровых турбинах, электрогенераторах, установках для водородной энергетики.

Отметим, в исследовании приняли участие специалисты Уральского федерального университета, Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Гонконгского университета науки и технологии (Гонконг) и Байройтского университета (Германия). Исследование выполнено при финансовой поддержке по программе «Приоритет-2030». Работа подготовлена ​​в рамках бюджетных планов лаборатории водородной энергетики УрФУ и ИВТЭ УрО РАН на базе Центра коллективного пользования «Состав вещества».

Анна Маринович

Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».