Кинетика межфазного обмена кислорода в новых высокоэффективных оксидных материалах с тройной (H+/O2-/e-) проводимостью

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 на протон-проводящих твердых электролитах (H-SOFC). H-SOFC в отличие от традиционных SOFC с кислород-проводящим электролитом могут эффективно функционировать в области средних температур и имеют множество вариантов использования: сепарирование водорода, синтез углеводородов, синтез аммиака и т.д. На сегодняшний день было исследовано несколько типов катодных (если рассматривать режим генерации электроэнергии) материалов для H-SOFC, а именно: материалы с электронной проводимостью (металлы), материалы со смешанной кислород ионной и электронной проводимостью и материалы с тройной проводимостью (протонной, кислород ионной и электронной). Из перечисленных материалов последний тип лидирует в характеристиках и практическом применении в протон-проводящих твердооксидных топливных элементах. Среди основных характеристик таких материалов, определяющих эффективность их работы в H-SOFC, является скорость межфазного обмена с газовой фазой. Однако механизмы межфазного с газовой фазой в таких материалах еще не поняты и только недавно стали появляться исследования на эту тему, что обуславливает актуальность предлагаемого научного проекта. Перспективным базовым материалом для катодов H-SOFC является феррит бария. Однако данный материал имеет достаточно низкую стабильность фазового состава и претерпевает ряд фазовых переходов за счет высвобождения кислорода из кристаллической решетки. Введение в структуру таких элементов как La3+, Sm3+, Gd3+, Y3+, Zr4+ благотворно сказывается на фазовой стабильности, а Ce4+ обеспечивает протонный транспорт в оксидной системе. Изменение концентрации каждого из типов носителей заряда (H+/O2-/e-) в материале будет влиять на характеристики катода с точки зрения скорости реакции восстановления кислорода, но именно кислородный транспорт является приоритетным со стороны катода, где реализуется подача молекулярного кислорода для электрохимических реакций. В тоже время, в литературе почти отсутствуют результаты исследований кинетики межфазного обмена кислорода на (H+/O2-/e-) материалах, что обуславливает научную новизну проекта. В рамках данного проекта запланировано развитие методики определения кинетики и механизма обмена молекулярного кислорода на оксидных системах со смешанным (H+/O2-/e-) типом проводимости. Имеющийся в лаборатории научный задел в этой области и предлагаемые методы (импульсный изотопный обмен кислорода и метод релаксации давления кислорода) для реализации поставленных задач позволяет прогнозировать успешность выполнения научного плана на весь период проекта.