Исследование влияния способов формирования и активации воздушных электродов среднетемпературных ТОТЭ на стабильность их микроструктурных и электрохимических характеристик

Разработка воздушных электродов для твердооксидных топливных элементов является актуальной задачей, важность которой обусловлена особенностью функционирования устройств нового поколения со сниженной рабочей температурой, в которых наиболее остро встают проблемы с увеличением активационной поляризации электродов. Достижение цели проекта, заключающейся в повышении активности воздушных электродов с сохранением/повышением долговременной стабильности электродного отклика предлагается в рамках комплексного подхода, заключающегося в разработке дизайна многослойного электрода с дифференциацией слоев по электрическим свойствам, микроструктуре и функциональному назначению, а также активации электродов добавками, обладающими высокой каталитической активностью. Для исследований в данном проекте выбраны перспективные материалы воздушных электродов, разработанные группой в течение последних лет, относящиеся к слоистым фазам Раддлесдена-Поппера (РП) первого порядка ряда Pr1.6Ca(La)0.4Ni1-yCuyO4+δ и среднеэнтропийный материал La0.6Sr0.4Co0.33Fe0.33Mn0.33O3-δ со структурой перовскита. Активация электродного отклика будет достигнута путем формирования тонкопленочных высокопроводящих и адгезивных слоев на границе электрод-электролит, создания композитных и нанокомпозитных функциональных и коллекторных слоев, путем введения активирующих добавок в пористую матрицу функционального слоя электрода и/или коллектора методом инфильтрации. Анализ изменения кристаллической структуры и идентификация образования поверхностных фаз, исследование природы химической связи компонентов электрода будут проведены с применением методов Рамановской спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Методом импедансной спектроскопии будут изучены особенности поведения активированных электродов в контакте с твердыми электролитами с кислород-ионной и протонной проводимостью, получены данные по поляризационным характеристикам электродов в диапазоне функционирования среднетемпературных ТОТЭ (600 – 750 °С) в сухом и влажном воздухе. Будут проведены долговременные испытания наиболее активных электродов в симметричных ячейках в течение не менее 500 ч и токовых ячейках не менее 1000 часов. С использованием методов эквивалентных схем и распределения времен релаксации для анализа данных электрохимического импеданса будет проведено сравнение кинетики электродных процессов электродов различного дизайна, определены скорость-лимитирующие стадии и факторы, оказывающие решающее влияние на активность воздушных электродов. Путем исследования микроструктуры электродов методом сканирующей электронной микроскопии с дальнейшим анализом полученных данных с применением сертифицированного программного обеспечения будут определены микроструктурные параметры электродов до и после долговременных испытаний (пористость, извилистость, размер частиц). Полученные данные позволят определить стадии, претерпевающие наибольшую деградацию при долговременном тестировании и осуществить подбор наиболее эффективных методов активации. На завершающей стадии проекта разработанные активированные электроды будут испытаны в режимах топливного элемента/электролизера в единичных ячейках с тонкопленочным электролитом в среднетемпературном интервале (600-750 °С). Фундаментальные данные по кинетике электродных процессов в активированных электродах и ориентированные на практику разработки по методам организации и активации электродных слоев позволят сформировать научную основу для эффективного применения новых перспективных электродных материалов в реальных электрохимических устройствах нового поколения, сформировать базис для направленного влияния на электродный отклик путем варьирования структуры электрода и выбора метода активации. Данные, полученные в проекте, будут полезны широкому кругу специалистов в области химии, электрохимии, энергетики и физики конденсированных сред.