В рамках того, что потенциально может ускорить разработку более эффективных ТОТЭ, исследовательская группа, возглавляемая Университетом Кюсю, раскрыла химическую природу электролита на основе перовскита, который они разработали для ТОТЭ. Команда объединила анализ синхротронного излучения, крупномасштабное моделирование, машинное обучение и термогравиметрический анализ, чтобы выявить активный участок, где атомы водорода внедряются в решетку перовскита в процессе производства энергии. Результаты были опубликованы в журнале Химия материалов.

На фундаментальном уровне топливный элемент - это просто устройство, которое вырабатывает электричество, способствуя расщеплению атома водорода на положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Электрон используется для выработки электричества, а затем соединяется с протоном и кислородом и образует воду в качестве "отработанного" продукта.

Материалом, лежащим в буквальном смысле в основе всего этого, является электролит. Этот материал действует как атомное сито, которое облегчает перенос определенных атомов через топливный элемент. В зависимости от типа топливного элемента этими атомами могут быть протоны или кислород.

Хотя термин SOFCs может быть непривычен для многих людей, эта технология уже была коммерциализирована в генераторах для домов на одну семью. Тем не менее, они остаются дорогостоящими, и одним из самых больших препятствий является их высокая рабочая температура.

"Для эффективной работы электролита температура обычных ТОТЭ должна составлять 700-1000 ℃". объясняет профессор Есихиро Ямадзаки из Платформы междисциплинарных энергетических исследований Университета Кюсю, который руководил исследованием. "Естественно, существует глобальная гонка за разработкой электролитов ТОТЭ, которые могут работать при более низких температурах - около 300-450 ℃. Одним из таких перспективных материалов являются перовскиты."

Перовскиты - это категория материалов со специфической кристаллической структурой, которая позволяет им обладать уникальными физическими, оптическими и даже электрическими свойствами. Более того, поскольку они могут быть искусственно синтезированы с использованием различных атомов, большой объем исследований сосредоточен на разработке и тестировании почти бесконечного числа возможных перовскитов.

Одним из таких случаев является разработка более совершенных электролитов ТОТЭ.

"В нашей прошлой работе мы разработали перовскит на основе бария и циркония с химическим составом BaZrO₃. Заменив участок Zr высокой концентрацией скандия, или Sc, нам удалось создать высокоэффективный электролит, который может функционировать при нашей целевой температуре 400 ℃", - объясняет Ямадзаки. "Конечно, это была только часть того, что мы хотели найти. Мы также исследовали вопрос, который не был решен более трех десятилетий: куда в решетке электролита попадают протоны?"

Исследовать внутреннюю работу ТОТЭ было сложно из-за его высокой рабочей температуры и меняющегося давления воды, источника водорода в топливных элементах.

Чтобы обойти эти проблемы, команда провела эксперименты по рентгеновской спектроскопии поглощения на своем перовскитовом электролите с использованием синхротронного излучения - электромагнитного излучения, испускаемого ускорителями частиц, - в то время как топливный элемент был активен при температуре около 400 ℃.

"Эти результаты дали нам представление о том, в какую часть химической структуры материала будут включены протоны. Оттуда мы применили машинное обучение и с помощью суперкомпьютера рассчитали возможные структурные конфигурации материала", - продолжил Ямадзаки. "Тщательно сравнив прогнозируемые результаты с экспериментальными данными, мы смогли прояснить структурные изменения, которые претерпевает электролит при его активности".

"Теперь, когда у нас есть фундаментальные внутренние особенности электролита, мы можем оптимизировать его наноструктуры и даже предложить новые материалы, которые могут привести к созданию более эффективных топливных элементов и даже таких, которые работают в более широких диапазонах температур", - заключает Ямадзаки.