Энергетические установки будущего, возможно, смогут вырабатывать электричество, не разогреваясь до температур, при которых обычные материалы быстро изнашиваются, а сама конструкция становится сложнее и дороже. Это открыло бы путь к более компактным и потенциально долговечным системам энергоснабжения — от установок на водороде до устройств, которым сегодня необходимы высокотемпературные условия работы. Исследователи из Японии и других стран нашли материал, который хорошо проводит кислородные ионы уже при 233°C, пишет Nature Communications.

Почему температура имеет значение

Один из способов получать электричество — использовать топливные элементы. В отличие от обычного двигателя, они не сжигают топливо для вращения механических деталей, а преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую. В твердооксидных топливных элементах ключевую роль играет электролит — специальный материал, через который перемещаются ионы кислорода. Чтобы этот процесс шёл достаточно быстро, такие устройства обычно работают при высоких температурах. Например, традиционные системы с электролитом из стабилизированного диоксида циркония рассчитаны на работу примерно при 700–1000°C.

Нагрев требует времени и энергии, а постоянные температурные нагрузки создают дополнительные требования к материалам и конструкции. Снижение рабочей температуры потенциально позволяет уменьшить эти сложности, сократить износ и расширить возможности применения топливных элементов. Однако для этого недостаточно найти материал, который просто выдерживает нагрев. Он должен быстро проводить нужные ионы, оставаться химически стабильным и не пропускать электрический ток так, чтобы нарушать работу устройства.

Материал, который проводит кислород при 233°C

В центре исследования — соединение висмута, теллура, лантана, кислорода и брома с формулой Bi₁.₉Te₀.₁LaO₄.₀₅Br. Оно относится к классу слоистых оксигалогенидов — материалов, в кристаллической структуре которых чередуются слои разного состава. При температуре 233°C материал продемонстрировал объемную ионную проводимость 0,01 сименса на сантиметр. Это важный показатель: он отражает, насколько легко ионы проходят через внутреннюю структуру вещества.

Для сравнения, сопоставимого уровня проводимости традиционный электролит на основе стабилизированного диоксида циркония достигает примерно при 644°C, а материал LSGM — при 534°C. Иными словами, новое соединение позволяет добиться такого показателя при существенно более низкой температуре. Это ещё не означает, что готовый топливный элемент на его основе сможет заменить существующие системы с теми же характеристиками. Но результат показывает, что перспективный электролит можно искать среди материалов, которые эффективно проводят ионы кислорода без экстремального нагрева.

Неожиданная разгадка: ионы движутся через пустующие места

Особый интерес представляет не только результат, но и то, как именно кислород перемещается внутри нового материала. В кристаллах ионы находятся в определенных положениях, образующих упорядоченную структуру. Для перемещения иона необходимо, чтобы в соседнем положении было свободное место. Такие незанятые позиции называют кислородными вакансиями.

Можно представить себе ряд кресел в зале: человек не сможет пересесть на соседнее место, если оно занято. Но если одно кресло свободно, он перемещается туда, а его прежнее место становится свободным. Подобная последовательность переходов позволяет ионам двигаться через кристалл.

В материалах с избытком кислорода исследователи могли ожидать, что важную роль будет играть другой механизм - перемещение дополнительных кислородных ионов между обычными позициями в кристаллической решетке. Однако измерения и компьютерное моделирование показали, что дальний перенос кислорода в изученном соединении преимущественно происходит через вакансии.

Расчеты показали, что энергетический барьер для такого механизма составляет 0,43 электронвольта, тогда как для альтернативного механизма с участием дополнительных кислородных ионов — 0,74 электронвольта. Чем ниже этот барьер, тем легче частицам перемещаться при заданной температуре.

По мнению авторов, важную роль играет сама слоистая структура материала. Она создает условия, в которых кислородные ионы могут сравнительно легко перемещаться внутри определенных слоев кристалла.

Почему это важно для практического применения

Высокая проводимость сама по себе еще не делает материал подходящим для энергетического оборудования. Электролит должен сохранять свойства в разных газовых средах и не разрушаться при изменении условий работы.

Исследователи проверили новый материал в окислительной и восстановительной атмосферах, во влажной и сухой среде, а также при наличии углекислого газа. В изученных условиях соединение сохраняло химическую стабильность; заметного изменения его объема при химическом воздействии также не наблюдалось.

Это существенно для топливных элементов, где разные части устройства контактируют с разными газами. Электролит должен обеспечивать перенос кислородных ионов, не теряя своих свойств при контакте с рабочей средой.

Авторы также установили, что перенос заряда в основном связан именно с кислородными ионами, а не с электронами или протонами. Для электролита топливного элемента это принципиально: материал должен проводить нужные ионы, но не создавать нежелательный путь для электронного тока через сам электролит.

При этом у разработки есть важное ограничение. На практике сопротивление создает не только сам кристалл, но и границы между отдельными зернами материала. Поэтому измеренная проводимость всего образца может быть ниже, чем проводимость его внутренней структуры. Чтобы использовать соединение в реальном устройстве, учёным предстоит оптимизировать структуру керамики, размеры зерен и плотность материала.

От лабораторного результата к энергетике будущего

Исследование не ограничивается одним соединением: ученые изучили и другие родственные оксибромиды и оксииодиды, часть которых также показала заметную проводимость кислородных ионов. Это позволяет рассматривать работу не только как поиск одного удачного вещества, но и как способ проектировать целое семейство потенциальных электролитов.

Если дальнейшие испытания подтвердят эффективность и долговечность таких материалов в составе полноценных устройств, снижение рабочей температуры может облегчить создание топливных элементов для стационарного энергоснабжения и других задач, где важны стабильная работа и снижение требований к нагреву.

Но до практического внедрения еще предстоит пройти путь от лабораторных измерений до инженерной оптимизации и испытаний готовых систем. Пока главное достижение исследователей — демонстрация того, что высокая проводимость кислородных ионов возможна при гораздо более низкой температуре, а также выявление механизма, который помогает добиться такого результата.