Кинетика обмена кислорода и приповерхностный слой в оксидных материалах для среднетемпературных электрохимических приложений в распределенной энергетике

Исследования в области чистой и ресурсосберегающей энергетики являются частью стратегического научно-технического направления развития в Российской Федерации. Перспективным направлением в этой области является разработка и усовершенствование электрохимических устройств, таких как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Топливные элементы представляют собой устройства для превращения энергии топлива в электрическую энергию. Конструкционно ТОТЭ представляют собой электрохимическую ячейку, состоящую из твердого электролита на основе керамического материала (например, цирконий иттриевого электролита) и пористых электродных материалов - катода (например, манганит лантана-стронция) и анода (например, никель-керметные материалы). Классические ТОТЭ показывают хорошие эксплуатационные характеристики при высоких температурах порядка 900С. Однако эксплуатация ТОТЭ при высоких температурах приводит к коррозии и окислению металлов, диффузии материалов электрода в электролит, приводящим к ухудшению проводимости и стабильности, а также к деградации электрохимической ячейки. Снижение температуры эксплуатации приводит в свою очередь к ухудшению мощностных характеристик электрохимической ячейки. Поэтому в настоящее время ведутся исследования по снижению рабочей температуры и поиску новых материалов, способных показывать хорошие эксплуатационные характеристики при более низких температурах. В качестве электролитных материалов рассматривают системы на основе оксида церия, галлата лантана, протон-проводящих оксидов. В качестве электродных перспективных материалов рассматриваются кобальтиты или никелиты лантаноидов, как катодные материалы, и никель-керметные материалы, где кермет представляет собой такие материалы, как CeO2, LaScO3, BaZrO3 и прочие, как анодные материалы. Проект направлен на изучение маршрутов диффузии кислорода и влияние приповерхностной области на кинетику обмена кислорода, что является фундаментальной задачей. Планируется исследовать химический состав приповерхностной области спеченной керамики методом фотоэлектронной спектроскопии, определить влияние объемной и граничнозеренной диффузии кислорода и коэффициенты диффузии кислорода по разным кристаллографическим направлениям выведенных кристаллов. Предложенные разработки внесут вклад в научно-технологическое развитие Российской Федерации, а именно в рост значимости энерговооруженности экономики и наращивания объема выработки и сохранения энергии, ее передачи и использования.Объектами исследования в проекте являются никелит неодима Nd2NiO4+δ со слоистой структурой Радделсдена-Поппера и кобальтит лантана-стронция La0.7Sr0.3CoO3-δ с перовскитоподобной структурой с ромбоэдрическими искажениями. Планируется провести измерения кинетики обмена кислорода на поликристаллических материалах и монокристаллах, для выявления маршрутов диффузии кислорода. Выбранные объекты исследования можно отнести к ряду перспективных электродных материалов для электрохимических устройств, поэтому изучение диффузионных задач на выбранных объектах весьма актуально. Для достижения поставленной цели исследования химического состава оксидов планируется выполнить с помощью методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS), растровой электронной микроскопией с помощью энергодисперсионного микроанализа (EDX) и метода дифракции отраженных электронов (EBSD). Для исследования кинетических характеристик материалов будут использованы метод изотопного обмена с анализом газовой фазы (GPE). Совокупность представленных исследований позволит оценить влияние кристаллической структуры, химического состояния поверхности и границ зерен на кинетику обмена кислорода и исследовать маршруты диффузии кислорода в никелитах неодима и кобальтитах лантана-стронция. Ранее в литературе не проводилось систематическое изучение маршрутов диффузии кислорода с использованием взаимодополняющих методик для выявления и объяснения получаемых результатов на выбранных объектах. Такой комплексный подход к решению поставленных задач дает возможность в полном объеме реализовать цель научного исследования. Решение поставленной задачи будет реализовано через фундаментальные исследования диффузионных свойств перспективных катодных материалов. Успешная реализация проекта позволит осознанно подходить к созданию новых материалов с высокими функциональными свойствами за счет влияния состава и структуры поверхности на маршруты диффузии кислорода.