Разработка структурированных катализаторов трансформации биотоплив в синтез-газ, мембран для селективного выделения кислорода или водорода и твердооксидных топливных элементов с применением радиационно-термического спекания нанесенных функциональных слоев

Цель работы: исследование влияния обработки электронными пучками на материалы для катализаторов конверсии биотоплив, твердооксидных топливных элементов и мембран с селективной проницаемостью по кислороду и водороду. Его реализация заложит основы создания высокоэффективных и недорогих генераторов синтез-газа и водорода и твердооксидных топливных элементов, что позволит решить проблемы энергоснабжения удаленных районов и месторождений. Проведены исследования транспортных свойств различных оксидных и композитных материалов компонентов твердооксидных топливных элементов, мембран с селективной проницаемостью и катализаторов трансформации биотоплив в водород и синтез-газ с использованием методов спектроскопии импеданса и изотопного обмена кислорода и водорода в проточном реакторе. Для материалов с высокой кислородной подвижностью, полученных и исследованных в ходе выполнения предыдущего этапа работ, включая допированные цераты и титанаты висмута, помимо использования спектроскопии импеданса для исследования их электронной проводимости, проведены исследования их нанокомпозитов с электролитами на основе допированного диоксида церия и циркония, а также допированными никелатами празеодима со структурой Раддлсдена–Поппера. Были изучены транспортные свойства вольфрамата лантана La27W5O55.5 и его композитов с оксидом никеля-меди, спеченных традиционным способом в печи и радиационно-термическим спеканием с использованием электронного пучка. Было продемонстрировано, что процесс изотопного замещения характеризуется двумя основными параметрами — коэффициентом инкорпорации (K) и коэффициентом самодиффузии кислорода (D*). Значения K для образца, спеченного электронным пучком, несколько ниже по сравнению с образцом, спеченном в печи, что, по-видимому, объясняется влиянием меньшей остаточной пористостью образца, спеченного электронным пучком. Значения D* для образца, спеченного электронным пучком, также ниже по сравнению с образцом, спеченном в печи. Это, по-видимому, связано с разным уровнем разупорядоченности структуры и влиянием соотношения La:W, что подтверждено уточнением структуры методом Ритвельда. Для композитов LWO с оксидом никеля-меди характерно понижение кислородной подвижности, что характерно для таких композитов. Были изучены транспортные свойства композитов на основе титанатов и цератов Bi со структурой пирохлора, допированного Y диоксида Ce (YDC) со структурой флюорита и никелата-кобальтита Pr (PNC) со структурой перовскита. Для двойных композитов пирохлор — YDC наблюдаются два и более экстремума на кривых ТПИО в низкотемпературной области, свидетельствуя о высокой подвижности кислорода. Различия в коэффициентах диффузии и коэффициентах проницаемости двойных композитов находятся в пределах точности оценки. Для тройных композитов пирохлор — YDC – PNC также появляется пик в области средних-высоких температур, по-видимому, соответствующий замещению кислорода в доменах перовскитоподобной фазы. Измеренная методом импендансной спектроскопии температурная зависимость электропроводности трехкомпонентных композитов, прокаленных при 1100°C, выше чем у индивидуальных пирохлоров – допированных титанатов и цератов висмута. Были также изучены транспортные свойства никелатов лантаноидов со структурой Раддлсдена — Поппера (РП) Ln2−xLn’xNiO4 (Ln = Pr, Nd; Ln’ = Sm, Gd), а также нанокомпозиты на их основе. Для фаз РП характерен один искаженный экстремум на кривых ТПИО в области низких-средних температур. Согласно данным математического моделирования, характерные значения коэффициента самодиффузии кислорода D* ~ 10−8 см2/с при 700 °C, что является хорошим показателем для применения в катодах ТОТЭ и кислородпроводящих мембранах. Были изготовлены лабораторные образцы мембран с селективной проницаемостью на основе металлических пеноносителей с градиентной пористостью с функциональными слоями композитов на основе выбранных материалов с наилучшими характеристиками (включая допированные молибдаты/вольфраматы Ln, Bi- содержащие сложные оксиды). Продемонстрированы высокие показатели кислородной/водородной проницаемости, а также высокая производительность и стабильность работы мембраны в каталитических реакциях трансформации топлив в синтез-газ и водород. Приготовлены, охарактеризованы и испытаны аноды топливных элементов на базе металлических пеноносителей с выбранными составами функциональных слоев по толщине анодов на основе допированного NiO/YSZ с добавками с высокой подвижностью кислорода на основе La0.8Pr0.2Mn0.2Cr0.8O3 и Nd10W2O21, нанесенным с катодной стороны слоем электролита ScCeSZ и катодного нанокомпозита на основе фаз РП. Проведены характеризация их вольтамперных характеристик, проверка устойчивости к термоциклированию при использовании в качестве топлива водорода.