КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-79-10003

НазваниеПерспективные блочно-слоевые материалы c протонной и тройной протонной-кислородной-электронной проводимостью: от химического дизайна к электрохимическим устройствам

РуководительТарасова Наталия Александровна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые словаСложный оксид, перовскит, структура Раддлесдена-Поппера, протонная проводимость, кислородно-ионная проводимость, донорное допирование, акцепторное допирование, твердый электролит, высокотемпературные протонные проводники, химическая устойчивость, среднетемпературные топливные элементы

Код ГРНТИ31.15.19


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Одной из главных проблем 21 века является изменение климата и загрязнение воздуха из-за высокого потребления ископаемого топлива. Огромное количество продуктов сгорания углеводородов, включая CO2, попадающих в окружающую среду каждый день, приводит к обострению таких глобальных проблем, как парниковый эффект и уменьшение озонового слоя. В то же время, истощение основных ископаемых источников энергии на Земле ожидается в ближайшем будущем, поэтому необходим переход к использованию источников чистой энергии. Соответственно, разработка высокоэффективных альтернативных источников энергии является актуальной задачей. Одним из возможных путей достижения этой цели является развитие водородных энергетических систем. Такие системы включают различные электрохимические устройства, в том числе, протонно-керамические топливные элементы и протонно-керамические электролизеры. Использование этих устройств в качестве систем преобразования энергии является перспективной технологией, способной сочетать высокую эффективность, гибкость в различных условиях работы и отличную производительность. Одним из основных компонентов протонно-керамических электрохимических устройств является протонный электролит. Протонные электролиты способны демонстрировать превосходную протонную проводимость в диапазоне температур 300 – 700 °C благодаря высоким значениям как концентрации протонов, так и их подвижности. На сегодняшний день, наиболее исследованные среднетемпературные протонные проводники характеризуются структурой перовскита или производной от нее. Дальнейшее развитие данного класса материалов предполагает исследование соединений с новыми типами структур, включая блочные или слоистые структуры. Не менее значимым в аспекте создания высокоэффективного электрохимического устройства является подбор электродов, совместимых по комплексу физико-химических и физико-механических свойств с материалом электролита. Одним из ключевых требований, выдвигаемых к катодным материалам в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, является их способность к тройной протонной-кислородной-электронной проводимости, что необходимо для расширения реакционной зоны восстановления кислорода. На сегодняшний день известен ряд потенциальных катодных материалов с тройной проводимостью, однако большая часть из них представляет собой кобальтиты щелочноземелных и редкоземельных металлов. Однако ограниченность мировых запасов кобальта, а также его токсичность, диктует необходимость создания так называемых “Co-free” катодов. При этом в литературе существуют сведения о принципиальной возможности протонирования катодных материалов на основе допированных никелатов лантана, характеризующихся блочно-слоевой структурой. Ранее выполненные нами первичные исследования транспортных свойств соединений на основе BaLaInO4 позволили подтвердить предположение о возможности реализации протонного переноса в блочно-слоевых структурах. Было показано, что такие соединения способны к внедрению рекордных концентраций протонов (до 1.5 моль на формульную единицу вещества) и проявлению практически 100% протонного переноса при температурах ниже 400 оС. Кроме того, они характеризуются высокой химической стабильностью к углекислому газу по сравнению с другими известными протониками. В рамках настоящего проекта будет осуществлено комплексного исследование принципиально новых соединений с блочно-слоевой структурой, полученных на основе АIIMInO4 (A = Sr, Ba, M = La, Pr). Допирование катионной подрешетки металлами с переменной степенью окисления позволит получить новые, раннее не исследованные материалы с тройной протонной-кислородной-электронной проводимостью, а допирование элементами с постоянной степенью окисления позволит получить новые материалы, характеризующиеся доминирующим протонным переносом. Полученные в результате смешанные ионно-электронные и протонные проводники будут обладать близкими блочно-слоевой структурой и коэффициентами термического расширения. Ранее подобные исследования в мире не проводились. Это позволяет говорить о том, что получение и изучение блочно-слоевых сложных оксидов является актуальным и перспективным научным направлением, позволяющим реализовать задачу создания новых материалов для среднетемпературных электрохимических устройств и прямым образом относящееся к концепции развития водородной энергетики, утвержденной в РФ.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет разработаны и комплексно исследованы протонные электролиты, а также электродные материалы, обладающие тройной проводимостью: - разработаны новые функциональные материалы с протонной и тройной проводимостью, характеризующиеся блочно-слоевой структурой; - развиты теоретические представления о процессах электропереноса в протон-проводящих блочно-слоевых сложных оксидах; - выполнена аттестация полученных перспективных электролитных и катодных материалов в качестве компонентов в электрохимической ячейке. В ходе выполнения проекта будут: • получены новые фазы АIIMInO4 (A = Sr, Ba, M = La, Pr) с блочно-слоевой структурой, выполнена их рентгенографическая аттестация; • установлены формы протон-содержащих групп (оседлые формы протонов) и места их предпочтительной локализации; • изучены процессы гидратации и выполнена идентификация возможных фазовых переходов, сопровождающих их; • проведено исследование комплекса транспортных свойств в широкой области температур, рО2, рН2О и выяснен механизм формирования протонной проводимости; • выполнены расчеты и анализ подвижности ионных носителей тока в зависимости от различных факторов и установлены основные закономерности переноса каждого типа носителей заряда; • установлены основные факторы, влияющие на концентрацию и подвижность протонов, выявлены эффекты взаимодействия протонной, кислородной, электронной подсистем; • исследована химическая устойчивость полученных материалов к высоким парциальным давлениям воды и СО2. • выполнено тестирование полученных перспективных электролитных и катодных материалов в качестве компонентов в электрохимической ячейке. В результате проведенных исследований будут получены новые результаты, позволяющие установить взаимосвязь между величиной проводимости, термической устойчивостью гидратированных фаз и кристаллохимическими особенностями изученного класса материалов. С практической точки зрения, будет решена задача получения материалов, пригодных для работы в среднетемпературных топливных элементах в качестве протон-проводящей мембраны, а также катодных материалов с тройной протонной-кислородной-электронной проводимостью. Накопление знаний в этой области может привести к созданию нового поколения электрохимических устройств. Предлагаемый в данном проекте комплексный подход к решению проблемы, современный уровень используемых методов и новизна их приложения к исследуемым объектам, профессионализм исполнителей обеспечат получение результатов принципиальной значимости, оригинальных и, в том числе, не имеющих мировых аналогов. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, будут представлены на различных конференциях, опубликованы в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, включены в читаемые лекционные курсы.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ