Твердооксидные топливные элементы превращают химическую энергию топлива напрямую в электричество. Они могут работать на водороде, природном газе и биогазе, но массовому применению мешают высокие рабочие температуры: стандартные электролиты вроде иттрий-стабилизированного диоксида циркония (YSZ) требуют нагрева примерно до 700-1000 градусов Цельсия. Это ускоряет износ материалов и удорожает производство.

Ученые давно ищут электролиты, способные эффективно работать при 200-500 градусах. Этот диапазон называют "зазором Норби". В нем трудно одновременно получить высокую проводимость ионов кислорода, химическую стойкость и минимальное изменение размеров материала при работе.

Группа под руководством профессора Масатомо Ясимы из Института науки Токио (Science Tokyo, Япония) синтезировала новый оксибромид состава Bi1.9Te0.1LaO4.05Br. При 233 градусах его объемная проводимость по ионам кислорода достигает 0.01 сименса на сантиметр. Для сравнения: распространенным электролитам YSZ и LSGM (лантан-стронций-галлий-магниевый оксид) такую же проводимость обеспечивают температуры 644 и 534 градуса соответственно. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Материал получили, заменив в родственном соединении хлорид-ион на более крупный и поляризуемый бромид-ион. Новый оксибромид сохраняет химическую стабильность в сухой и влажной окислительной, восстановительной и углекислой атмосферах при нагреве до 300 градусов и почти не расширяется при изменениях среды.

Анализ структуры показал: кристалл состоит из проводящих слоев, похожих на флюорит, которые разделены слоями брома. Такая слоистая архитектура подсказывает новый принцип создания быстрых проводников ионов кислорода.

Самое неожиданное - механизм движения ионов. Несмотря на избыток кислорода, ионы перемещаются не через межузельные позиции, как считалось ранее, а с помощью вакансий - пустых мест в кристаллической решетке. Это противоречит прежним представлениям о материалах с избытком кислорода и может задать новое направление в дизайне проводников.

Авторы подчеркивают: общая проводимость образца ниже объемной из-за сопротивления на границах зерен. Чтобы приблизить материал к практическому применению, нужна оптимизация микроструктуры - рост зерен и повышение плотности. Кроме того, исследование лабораторное, о коммерческом продукте речь пока не идет.

Тем не менее открытие расширяет семейство оксигалогенидов для низкотемпературных топливных элементов и электролизеров. Ученые уже получили другие оксибромиды и иодиды с высокой электропроводностью, что указывает на потенциал целого класса таких материалов.

Источник: Tech Xplore