Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Обеспечить электричеством потребителей в различных условиях можно с помощью применения перспективных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Они могут использоваться в жилых домах, в небольших энергетических установках для обеспечения энергией и теплом, а также на мегаваттных электростанциях для крупномасштабного производства электроэнергии.
По сравнению с тепловыми электростанциями, которые работают на сжигании, преобразование энергии таким способом происходит электрохимическим путем, из-за чего отсутствует негативное влияние вредных выбросов на атмосферу.
Топливный элемент состоит из электролита, который обладает ионной проводимостью, и электродов (анод и катод), в которых происходит электрохимическая реакция. В упрощенном варианте устройство можно рассматривать как батарею, которая служит для прямого превращения энергии химической реакции в электрическую энергию и тепло с непрерывной подачей топлива и окислителя (воздуха),
– объясняет профессор кафедры химических технологий, доктор технических наук ПНИПУ Владимир Пойлов.
Существуют различные виды топливных элементов. Процесс получения энергии в них идентичен. Они отличаются материалами, из которых состоят компоненты, и рабочей температурой. Сейчас актуален поиск подходящего состава для создания электролитов и электродов, эффективного при средних и низких рабочих температурах ТОТЭ (500-750℃). В таких условиях значительно уменьшается их коррозия и деградация, что повышает срок службы всего топливного элемента и позволяет снизить стоимость производимой электроэнергии. В настоящее время в качестве электролита чаще всего используют диоксид циркония, стабилизированный иттрием, но он устойчиво работает только при высоких температурах, около 1000оС.
Ученые Пермского Политеха применили классический глицин-нитратный метод для получения мультидопированного (с несколькими добавками) твердого электролита на основе диоксида церия. Такой материал, стабилизированный подходящими элементами, позволяет работать ТОТЭ при температурах 500-750 ℃. Политехники использовали редкоземельные элементы, такие как иттрий, гадолиний, самарий, неодим.
Мы растворяли нитраты этих металлов в деионизованной воде и добавляли глицин, используемый в качестве органического «топлива». Он образует комплексы с металлами, что способствует предотвращению выпадения осадков и равномерному распределению добавки. После полного растворения глицина мы выпаривали полученный раствор до тех пор, пока смесь не воспламенялась. В процессе этой реакции выделяется большое количество газов, и образуются твердые мелкие частицы, которые в дальнейшем составят основу электролита,
– поделился магистрант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Никита Фаустов.
Полученные образцы политехники изучали с помощью рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и лазерной дифрактометрии. Анализ показал, что в образцах отсутствуют примеси, морфология (структура) развита правильно, а состав соответствует теоретическому соотношению компонентов. Это значит, что применимый способ перспективен для получения электролитов на основе диоксида церия, стабилизированных несколькими добавками.
Исследование ученых ПНИПУ показало, что классическим глицин-нитратным способом можно получать мелкодисперсные чистые порошки сложных оксидов, которые в дальнейшем используются для изготовления среднетемпературных мультидопированных электролитов, что позволяет оптимизировать работу твердооксидных топливных элементов, повысить их срок службы и надежность.
Опубликованный материал и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ