Перовскитоподобные оксиды (A1-yBayF1-xF'xO3-d, ABaF2-xF'xO6-d, где A=La, Pr, Nd, Sm; F,F'=Co, Fe, Mn) с доменной текстурой и с экстремально низкотемпературным быстрым кислород-ионным и протонным транспортом для катодов твердооксидных топливных элементов

В настоящее время существует потребность прямого получения электроэнергии из органического топлива в связи с постоянным ростом потребления электроэнергии и спрос на высокоэффективные и одновременно экологичные решения проблемы преобразования и хранения энергии, например, переход на безуглеродные виды топлива (водород). Одним из эффективных способов преобразования и хранения энергии является использование энергоустановок на основе твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), так как их можно использовать, с одной стороны, для генерирования электроэнергии путем подвода топлива (природного газа или водорода) и окислителя, и с другой стороны, – для получения, например, водорода и кислорода путем подвода воды и излишков электроэнергии из городской электросети, т.е. аккумулирования энергии. Перспективным направлением видится использование бытовых установок ТОТЭ, пригодных для снабжения электроэнергией, теплом и горячей водой домохозяйств. Однако, несмотря на очевидную привлекательность твердооксидных топливных элементов, их широкое применение сдерживается рядом нерешенных эксплуатационных проблем, обусловленных химическим взаимодействием его компонентов (интерконнектора, катода, электролита и анода), их различным термическим и химическим расширением, высоким электрическим сопротивлением отдельных компонентов, и высокой рабочей температурой (900-1000°C), ускоряющей взаимодействие компонентов ТОТЭ и их деградацию. Такие проблемы приводят к значительному сокращению срока службы ТОТЭ, резко снижающемуся или низкому коэффициенту полезного действия (КПД). Важнейшей задачей является понижение температуры эксплуатации ТОТЭ. Для этого необходимы материалы компонентов ТОТЭ с приемлемыми физико-химическими характеристиками при относительно низких температурах (500-700°С) и/или при экстремально низких температурах (25-400°С). У таких материалов, например, материала катода, должны быть относительно большие уже при низкой температуре величины общей и парциальных электропроводностей, коэффициентов диффузии кислорода и протона, констант поверхностного обмена. Необходимо располагать данными о термической и барической зависимости характеристик, причем не только в зависимости от парциального давления кислорода, но и от влажности, т.к. последние исследования показывают наличие протонной проводимости в различных перовскитоподобных оксидных катодных материалах для ТОТЭ. Поэтому настоящий проект направлен на решение фундаментальных проблем создания среднетемпературного твердооксидного топливного элемента, а именно поиска материалов катода ТОТЭ с высокими общей и парциальными электропроводностями, коэффициентами диффузии кислорода и протонов, константами поверхностного обмена при температурах 25-700°С. В качестве матричного соединения будет использован сложный оксид со структурой перовскита (A1-yBayF1-xF'xO3-d, ABaF2-xF'xO6-d, где A=La, Pr, Nd, Sm; F,F'=Co, Fe, Mn), свойства которого будут целенаправленно изменяться путем частичного замещения по A- и B-подрешеткам. Такое допирование приведет к изменению параметров дефектной структуры матричного соединения, как следствие, к изменению физико-химических свойств, а именно к изменению общей/электронной/ионной проводимости, диффузии в твердом теле и поверхностному обмену с атмосферой. Сложный оксид с перовскитоподобной структурой и доменной текстурой способен быстро обмениваться кислородом уже при 70°С, что является экстремально низкой температурой для сложных оксидов, как было показано в одной из наших работ. В результате будут получены эффективные материалы катода ТОТЭ, работающие при относительно низкой температуре. Будет получена исчерпывающая информация по электропроводящим свойствам (общая, кислород-ионная, электронно-дырочная, протонная), коэффициентам диффузии кислорода и протона, константам поверхностного обмена данных оксидов.