Уральские исследователи создали высокоэффективный материал для электродов твердооксидных топливных элементов. Он имеет высокую совместимость с протонпроводящими электролитами и найдет применение в источниках энергии будущего. Работа ученых опубликована в Journal of Alloys and Compounds.

Твердооксидные топливные элементы на основе протонпроводящих электролитов — одни из наиболее эффективных электрохимических устройств на сегодня. Его КПД может достигать 65–70%. Самыми перспективными для устройств подобного рода, работающих при 400–700 °С, являются электролиты на основе церато-цирконата бария Ba(Ce,Zr)О₃.

Однако электрод и электролит должны быть схожи по составу, чтобы между ними не возникало химического взаимодействия и при нагревании они расширялись с одинаковой скоростью, не разрушая электрохимическую ячейку. Материалы, известные до сих пор, не полностью отвечали этим требованиям.

Чтобы создать такой электрод для электролита из церато-цирконата бария, исследователи использовали новую методику синтеза. Авторы постепенно допировали протонпроводящий электролит на основе церато-цирконата бария железом. В результате получился смешанный ионно-электронный проводник с привлекательными электрохимическими свойствами.

«Высокие концентрации железа значительно улучшают электротранспортные свойства, включая как ионную, так и электронную проводимости. Это благоприятно сказывается на электрохимической активности катода. В то же время с увеличением содержания железа повышаются средние значения термического расширения материалов. Другими словами, термомеханически катод становится менее совместимым с электролитом при рабочих температурах. Мы старались найти такую концентрацию железа, которая обеспечивала бы золотую середину между электрохимической активностью и термомеханическими свойствами катода. Как показал комплексный анализ функциональных свойств материалов — кристаллической и дефектной структур, поведения при термическом расширении, электрической проводимости и других — такой оптимум был найден», — объясняет ведущий автор работы, младший научный сотрудник Лаборатории электрохимических устройств и материалов Уральского федерального университета Лиана Тарутина.

Новый катод имеет высокую химическую совместимость с современными протонпроводящими электролитами на основе церато-цирконата бария. При этом его свойства оказались подходящими для создания электрохимической ячейки, которая не требовала улучшения функциональных свойств с помощью дополнительных методик электроактивации.