Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН представили новую технологию создания планарных (пленочных) твёрдых электролитов на основе оксидов церия и самария для современных топливных элементов с применением микроэкструзионной печати. Разработка может внести существенный вклад в развитие технологий альтернативной энергетики.

Результаты работы представлены в журнале Ceramics International.

Одним из источников экологически чистой энергии будущего является водород. Во всем мире ведутся интенсивные научные исследования и опытно-конструкторские работы для создания устройств водородной энергетики. Твердооксидные топливные элементы, представляющие собой электрохимические генераторы энергии с высоким коэффициентом полезного действия, являются наиболее стремительно совершенствующимся видом таких устройств. Главным ограничением в использовании топливных элементов этого типа являются их высокие рабочие температуры (700–1000°С), уменьшающие срок эксплуатации и увеличивающие стоимость оборудования.

Решение этой проблемы требует разработки планарных среднетемпературных твёрдых электролитов с высокой кислородной проводимостью, позволяющих снизить рабочие температуры топливного элемента без ухудшения его мощностных показателей.

Рабочие характеристики твердых электролитов во многом определяются методами формирования покрытий на их основе. В последние годы прослеживается отчетливый тренд на получение материалов для альтернативной энергетики в виде наноструктур, состоящих из частиц определённой формы (например, нанокубов, нанотрубок, нанооктаэдров и т.д.) и демонстрирующих улучшенные характеристики по сравнению с материалами аналогичного состава, не обладающими упорядоченной структурой. Такие структуры могут быть получены с привлечением аддитивных технологий, позволяющих также добиться более высокой воспроизводимости их рабочих характеристик.

Ученые из ИОНХ РАН совместно с коллегами из ИФХЭ РАН создали новую технологию получения планарных твёрдых электролитов на основе оксидов церия и самария для современных среднетемпературных твердооксидных топливных элементов с применением микроэкструзионной печати высокого разрешения.

«Нами был применен гидротермальный метод синтеза, при варьировании параметров которого нам удалось получить иерархически организованные наноструктурированные порошки, состоящие из частиц в виде стержней, нанолистов и микросфер, которые далее использовались для создания функциональных чернил, подходящих для микроэкструзионной печати планарных электролитов, – прокомментировала научный сотрудник Лаборатории химии легких элементов и кластеров ИОНХ РАН, кандидат химических наук Татьяна Симоненко, – Полученные таким образом покрытия обладают высокой электропроводностью, что позволяет рассматривать их в качестве перспективных твёрдых электролитов для топливных элементов, функционирующих в интервале 400–600°С. Нам также удалось показать, что микроэкструзионная печать может быть эффективно использована при автоматизированном формировании неорганических планарных твёрдых электролитов различной геометрии, а также имеет перспективы масштабирования при полностью аддитивном формировании ячеек топливных элементов».

По мнению авторов, найденные закономерности влияния химического состава и условий синтеза оксидных материалов на их микроструктуру, разработанные способы формирования соответствующих функциональных чернил и особенности технологии печати покрытий внесут существенный вклад в развитие и применение аддитивных технологий в области альтернативной энергетики.