Фундаментальные исследования и проблемно-ориентированные разработки по созданию пилотных образцов электролизных установок на базе твердооксидных электролизных элементов

Данная тема исследований дополнительно сформулирована Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в 2022 году. Плановый показатель интеллектуальной деятельности для данной темы, установленный Министерством – 3 статьи в год. Объектом данного исследования являются новые электродные материалы для твердооксидных электролизных элементов (ТОЭлЭ), а также многокомпонентные катализаторы для конверсии углеводородов. Цель работы: поиск и исследование функциональных характеристик новых электродных материалов для твердооксидных электролизных элементов, а также изучение механизмов конверсии углеводородов на многокомпонентных катализаторах. Порошок никелата лантана состава La2NiO4+δ со структурой типа K2NiF4 был синтезирован глицин-нитратным методом. При выполнении работы были подобраны условия спекания керамики, а также условия нанесения и припекания электродов из паст на основе чистого La2NiO4+δ и композитного La2NiO4+δ-GDC10 (60-40 вес.%) порошков. Показана термомеханическая совместимость La2NiO4+δ с керамикой твердого электролита. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) на воздухе, усредненный в температурном интервале 400-1290 К, составляет 13,6×10-6 K-1. Материал состава La2NiO4+δ на воздухе показывает достаточный уровень электронного транспорта. Общая электропроводность составляет 71 См/см при рабочей температуре 1123 К. Транспортные и термомеханические свойства и спекаемость никелата лантана позволяют использовать данный материал в качестве анода ТОЭлЭ. Пористые электродные слои из чистого La2NiO4 показывают электрохимическую активность, сравнимую с электродами на основе (La0.8Sr0.2)0.95MnO3. Однако в режиме работы ТОЭлЭ их характеристики несколько ухудшаются со временем. Добавка GDC10 приводит к увеличению электродного перенапряжения вследствие уменьшения электронного транспорта в электродном слое и/или образования микроструктуры, характеризующейся слишком мелкими порами. После ресурсных испытаний в режиме ТОЭлЭ перенапряжение La2NiO4-GDC10 падает, однако остается выше, чем для чистого La2NiO4 и (La0.8Sr0.2)0.95MnO3. Это показывает необходимость либо значительного уменьшения фракции GDC в электродных слоях, либо полного отказа от добавок GDC. С учетом чрезмерных омических потерь, связанных с недостаточным электронным транспортом и более активным химическим взаимодействием с твердым электролитом 10Sc1YSZ по сравнению с перовскитоподобными электродными материалами, применимость материала никелата лантана в качестве нового анодного материала в условиях ТОЭлЭ можно считать ограниченной, требуются дополнительные исследования. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния света были проведены in-situ исследования катализаторов состава 1,9 вес.% Pt-Ce0.75Zr0.25O2, и 1 вес.% Rh-Ce0.75Zr0.25O2. Выявлено, что как при нагреве, так и при переходе от инертной атмосферы к восстановительным условиям, происходит выход кислорода из кристаллической решётки образцов. Это приводит к образованию вакансий кислорода, а также уменьшению концентрации церия в степени окисления 4+ и возрастанию доли Ce3+. При этом, при возращении к исходным внешним условиям (температура, газовая смесь) происходит обратный процесс – возрастает концентрация Ce4+, а кислород занимает свободные вакансии. Таким образом, ионы кислорода приходят в место протекания каталитической реакции не из окружающей среды, а непосредственно из матрицы носителя катализатора. Такая «дышащая» структура носителя катализатора позволяет осуществлять высокоэффективный обмен кислородом с наночастицами платины/родия и обеспечить бесперебойную доставку ионов кислорода к месту протекания каталитической реакции. Необходимо отдельно отметить возможность термоциклирования данных катализаторов в процессе эксплуатации без изменения их кристаллических свойств. Благодаря всему вышесказанному катализаторы состава 1,9 вес.% Pt-Ce0.75Zr0.25O2 и 1 вес.% Rh-Ce0.75Zr0.25O2 представляют особый интерес в качестве высокоэффективных катализаторов конверсии углеводородов в синтез-газ, пригодных для питания батарей твердооксидных топливных элементов, катализаторы демонстрируют стабильность в процессе эксплуатации.