Учёные из Нидерландов, Франции и Германии теоретически и экспериментально оценили перспективы использования нанокристаллов в топливных элементах с твёрдым электролитом.

Напомним: обычный водородно-кислородный топливный элемент содержит проводящую протоны мембрану (электролит) и два электрода. На аноде молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны, после чего ионы водорода — протоны — отправляются через мембрану к катоду; электроны, напротив, отдаются во внешнюю цепь. На катоде молекулы кислорода соединяются с подводимыми извне электронами и пришедшими протонами, образуя воду.

Новая работа посвящена удобному с технологической точки зрения и сохраняющему работоспособность в широком интервале температур твёрдому электролиту CsHSO₄.

«По характеристикам ионной проводимости он, к сожалению, уступает привычным жидким электролитам, — говорит Лукас Хейверкейт (Lucas Haverkate) из Делфтского технического университета. — В твёрдом веществе образуется «сеть» ионов, практически все позиции в которой заняты. Это осложняет продвижение протонов».

Для того чтобы улучшить характеристики элемента, в такой сети необходимо создать свободные места. Именно эту задачу должны решать нанокристаллы диоксида титана размером в 7–50 нм, забирающие протоны у CsHSO₄.

Рис. 1. Наночастицы TiO₂ (иллюстрация Chen Research Group, University of Delaware).

На первом этапе исследования авторы оценили изменения, происходящие при добавлении нанокристаллов TiO₂, в рамках теории функционала плотности, а затем проанализировали опытные данные квазиупругого рассеяния нейтронов и спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Результаты позволяют надеяться на развитие новой технологии: введение TiO₂ на порядки увеличивало мобильность большой части — до 25% — ионов водорода.

В будущем учёные планируют протестировать другие комбинации материалов, которые, возможно, окажутся ещё более удачными.

Полные версии двух отчётов («теоретического» и «экспериментального») опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.