Япония совершила прорыв в производстве топливных элементов нового поколения с использованием материала с высокой проводимостью:
Японские исследователи из Института науки Токио (Science Tokyo) разработали новый материал, который может кардинально улучшить технологию топливных элементов. Содержащий рубидий (Rb), этот новый материал обладает высокой проводимостью, что означает, что он может более эффективно транспортировать ионы кислорода.
По словам группы под руководством профессора Масатомо Яшимы с химического факультета, этот новый материал может помочь сделать более чистые энергетические технологии, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), более практичными и доступными.
SOFC — это тип топливных элементов, которые генерируют электроэнергию, используя различные виды топлива, а не только водород. Они могут работать на природном газе и других видах топлива, что делает их более гибкими для использования в реальных условиях.
Хотя это и кажется очевидным, у ТОТЭ есть некоторые присущие им проблемы, которые до сих пор сдерживали их внедрение.
Потенциальный переломный момент для SOFC
Эти топливные элементы дороги в производстве, в прошлом страдали от плохой прочности и для правильной работы им нужны очень высокие температуры. С этой целью японская команда искала лучшие материалы, которые позволяют ионам кислорода (O²⁻) быстро перемещаться внутри топливного элемента.
Исследователи выбрали рубидий в качестве идеального решения из-за его уникальных свойств. Во-первых, он имеет относительно большой размер атома, что означает, что в его структуре больше «свободного пространства».
Это означает, что ионы кислорода могут свободно перемещаться внутри структуры, содержащей рубидий. Во-вторых, он имеет тенденцию иметь относительно низкую энергию активации, что означает, что требуется меньше энергии, чтобы заставить ионы двигаться.
Это также делает материалы более проводящими. Используя компьютерное моделирование, команда проанализировала 475 различных материалов на основе рубидия и обнаружила, что Rb₅BiMo₄O₁₆ является наиболее перспективным кандидатом.
После синтеза соединения команда обнаружила, что оно в 29 раз выше, чем обычно используемый материал SOFC (стабилизированный иттрием цирконий) при 572°F (300°C). Они также обнаружили, что движению ионов кислорода способствовали форма и движение тетраэдрических единиц MoO₄ (особая кристаллическая структура внутри материала).
Эксперименты также показали, что материал оставался стабильным в различных условиях, включая высокие температуры, влажный воздух и воду. Это открытие может помочь SOFC работать при более низких температурах, делая их более дешевыми, более долговечными и более простыми в использовании в различных энергетических приложениях.
Рубидиевые топливные элементы теперь возможны
«Удивительно, но Rb 5 BiMo 4 O 16 продемонстрировал высокую оксидно-ионную проводимость 0,14 мСм/см при 300 °C, что в 29 раз выше, чем у стабилизированного иттрием циркония при 300 °C, и сопоставимо с ведущими оксидно-ионными проводниками с аналогичными тетраэдрическими фрагментами», — пояснил Яшима многообещающие результаты.
Если дальнейшие исследования подтвердят эти результаты, материалы на основе рубидия могут сыграть важную роль в будущих технологиях чистой энергии, таких как топливные элементы, газовые датчики и катализаторы.
Этот новый рубидийсодержащий материал может произвести революцию в энергетических технологиях, улучшив производительность и доступность твердооксидных топливных элементов и способствуя переходу к более чистым источникам энергии.
«Открытие оксидов, содержащих рубидий, обладающих как высокой проводимостью, так и высокой стабильностью, может открыть новые возможности для [разработки] оксидно-ионных проводников», — сказал Яшима.
«Мы ожидаем, что эти достижения приведут к появлению новых областей применения и рынков для Rb, а также будут способствовать снижению рабочей температуры и снижению стоимости твердооксидных топливных элементов».
Исследование опубликовано в журнале Chemistry of Materials.
Читайте нашу главную страницу — Взгляд в будущее, Инновации, Технологии, Наука, Новые открытия, Изобретения