Российские ученые нашли новые материалы для эффективной энергетики
Новые вещества, которые могут быть использованы для производства электроэнергии в топливных элементах, предложили ученые Самарского политеха (СамГТУ). По их словам, новые соединения могут улучшить условия эксплуатации этих устройств, а также сделать их более рентабельными. Результаты исследования опубликованы в SolidStateIonics.
Топливные элементы (ТЭ) – генерирующие устройства, превращающие энергию топлива (без его сжигания) в электричество, с частичным выделением тепла. Они не имеют трущихся/изнашиваемых поверхностей, а коэффициент полезного действия ТЭ выше, чем у установок, используемых в традиционной энергетике.
Наиболее перспективным на сегодняшний день, по мнению экспертов, является применение твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Поскольку в такой модификации устройств возможно использовать разные по природе виды топлива и их реакцию с кислородом (без использования дорогих катализаторов), а продуктом переработки становится образовавшаяся вода.
«Для осуществления химической реакции в топливной ячейке необходимо, чтобы между катодом и анодом была прослойка материала, проводящего кислородные ионы, – твердый электролит», – рассказала старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) СамГТУ Наталья Кабанова.
На сегодняшний день в ТОТЭ используются электролиты на основе оксидов циркония, способные «транспортировать» внутри себя ионы кислорода только при очень высоких температурах, что резко ухудшает рентабельность ТОТЭ, добавила эксперт.
Ученые Самарского государственного технического университета (СамГТУ) предложили новые лантаноидсодержащие соединения с высокой кислород-ионной проводимостью, которые усовершенствуют технологию производства ТОТЭ и сделают их более доступными.
Разработчики использовали высокопроизводительный компьютерный скрининг, основанный на геометрико-топологическом анализе кристаллических структур, чтобы выделить наиболее подходящие компоненты для ТОТЭ. Они исследовали вещества, содержащие элементы-лантаноиды, и выделили 270 наиболее перспективных кислород-ионных проводников, среди которых 46 обладали внутренним строением, отличающимся от известных на текущий момент соединений для ТОТЭ.
«Чтобы синтезировать новый тип кислород-ионного проводника можно либо перебирать все возможные варианты веществ, либо, используя современные методы компьютерного моделирования физических характеристик, спрогнозировать ряд кандидатов для синтеза», – рассказала Кабанова.
По ее словам, в научном центре Самарского политеха еще в 2006 году разработана не имеющая аналогов в мире методика по поиску кристаллических структур, внутри которых есть каналы для перемещения ионов.
Старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха Наталья Кабанова за работой
«Методика позволяет проводить расчеты больших баз данных и в сравнительно короткие сроки определять наиболее перспективные для ионной проводимости вещества», – добавила Кабанова.
Она пояснила, что дополнительные теоретические расчеты при помощи методов квантово-механического моделирования позволяют уточнить ряд энергетических характеристик и получить более точный прогноз свойств для веществ. Несколько спрогнозированных в НИЦ при помощи данной методики литий-, натрий-, калийионных проводников уже синтезированы для создания новых типов материалов в электрохимических устройствах.
По словам ученых, они планируют начать синтез новых кислород-ионных проводников, продолжить работы по исследованию электрохимических характеристик, а также прогнозированию кислород-ионных проводников среди других групп соединений.
