Хіміки отримали нові дані про властивості подвійних перовскітоподібних оксидів

17

У журналі journal of alloys and compounds опублікована спільна робота вчених з інституту хімії твердого тіла і механохімії со ран, міжнародного фізичного центру «доностія» і московського інституту електроніки і математики ім. А. Н. Тихонова нду вше про властивості подвійних перовскітоподобних оксидів. Експериментальні вимірювання характеристик цих мінералів досі не відповідали результатам теоретичного моделювання, і автори роботи вперше поставили за мету пояснити спостережувану різницю. Отримані дані дозволять вченим в майбутньому поліпшити технології створення низькотемпературних паливних елементів-однієї з основних альтернатив сучасним джерелам електрики.

Останнім часом вчені все частіше пропонують використання паливних елементів в якості заміни всім відомих гальванічних батарей. У звичайних батарейках речовини, на основі яких відбувається генерація електрики, «зашиті» всередину. Їх кількість обмежена, і батарейка перестає працювати після того, як паливо витратиться. У паливних елементах відбувається процес об’єднання водневого палива і кисню з виділенням електрики, тепла і води, і при цьому паливо подається ззовні, а кисень береться з повітря. В результаті, така батарея може працювати до тих пір, поки існує стабільна подача живлення. Побічним продуктом роботи паливних елементів є тільки вода, завдяки чому вони є досить екологічною альтернативою батареям на основі, наприклад, марганцю і цинку, які потрібно спеціальним чином утилізувати після закінчення терміну роботи.

Твердооксидний паливний елемент (тоте) — різновид паливних елементів, останнім часом отримала особливу увагу серед вчених. В якості електроліту-речовини, через яке в батареї взаємодіють позитивно і негативно заряджені електроди — в них виступає керамічний матеріал, наприклад, на основі діоксиду цирконію.

Серед переваг твердооксидних паливних елементів відзначають високу ефективність, стабільність, можливість використання різних видів палива і відносно низьку вартість. Крім того, на відміну від інших типів паливних елементів, тоте можуть мати не тільки «плоску» структуру, в якій між електродами поміщається електроліт, але і, наприклад, бути виконані у формі труби, в якій повітря або паливо проходять через внутрішню частину труби, а інший газ проходить по зовнішній стороні.

У твердооксидних паливних елементів є також і основний недолік: для їх роботи необхідні високі температури, близько 500-1000 °c, які підтримують необхідні хімічні реакції. Для функціонування при більш низьких температурах в тоте потрібно використовувати дорогі платинові каталізатори, що критично збільшує вартість паливного елемента.

Саме тому останнім часом багато вчених приділяють увагу пошуку способів зниження робочих температур твердооксидних паливних елементів без втрати ефективності вироблення електрики. Дослідження в цій галузі включають пошук високоактивних каталізаторів необхідних реакцій, розробку методів синтезу компонентів паливних елементів і створення ефективних матеріалів для виробництва електродів.

В якості електролітів, що володіють необхідними для індустрії властивостями, вчені пропонують перовскітоподобние мінерали. Перовскити-клас мінералів, що складаються з двох негативно заряджених і одного позитивно зарядженого іона, з’єднаних між собою. Так, наприклад, розглядаються складні оксиди молібдатов зі структурою подвійного перовскиту a2memoo6, де a-кальцій, стронцій або барій, а me — 3d-метали або магній. При цьому склади зі стронцієм, магнієм або нікелем були визнані найбільш перспективними. Ці оксиди мають досить гарну електропровідність, а також мають стійкість до домішок сірки і оксидів вуглецю в паливному газі.

Незважаючи на привабливість з практичної точки зору, розуміння властивостей подвійних перовскітоподібних оксидів молібдену типу sr2mg1 – xnixmoo6 все ще не є достатньо повним. Експериментальні вимірювання властивостей речовин розходяться з теоретичними прогнозами на основі комп’ютерного моделювання, які самі по собі також досить сильно залежать від початкових припущень і використовуваного програмного коду.

Автори даної роботи вперше спробували об’єднати комп’ютерне моделювання особливостей електронного спектра речовини і експериментальні дані про те, як sr2mg1 – xnixmoo6 проводить електричний струм. Результати дослідження вказують на напівпровідникову природу провідності sr2mg1-xnixmoo6. Як і в металах, поява електричного струму в напівпровідниках пов’язано з рухом заряджених частинок. Але якщо в металах наявність вільних електронів обумовлено будовою речовини і зв’язками електронів в атомах, то поява носіїв заряду в напівпровідниках визначається багатьма факторами, серед яких найбільш важливими є чистота напівпровідника і його температура.

Вчені сходяться на думці, що напівпровідники можуть ефективно використовуватися в якості електролітів в паливних елементах завдяки хорошим електрохімічним характеристикам і високої іонної провідності, і подальше дослідження властивостей подвійних перовскітоподобних оксидів відкриє нові можливості використання цього багатообіцяючого матеріалу в різних енергетичних технологіях.