В одном из самых престижных журналов по материаловедению, Advanced Functional Materials (IF=19) вышла статья “Insight into Grain and Grain‐Boundary Transport of Proton‐Conducting Ceramics: A Case Report of BaSn0.8Y0.2O3−δ”, подготовленная сотрудниками научной лаборатории водородной энергетики вместе с коллегами из Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Гонконгского университета науки и технологии (Китай) и Байройтского университета (Германия). С текстом работы можно ознакомиться по ссылке: https://doi.org/10.1002/adfm.202307316.
Эта работа посвящена детальному исследованию объемного
Упрощенная экспериментальная установка для измерения транспортных свойств протонпроводящего электролита [Starostina I.A., Starostin G.N., Akopian M.T., Vdovin G.K., Osinkin D.A., Py B., Maradesa A., Ciucci F., Medvedev D.A. Insight into Grain and Grain-Boundary Transport of Proton-Conducting Ceramics: A Case Report of BaSn0.8Y0.2O3−δ. Advanced Functional Materials.https://doi.org/10.1002/adfm.202307316]
и зернограничного транспорта в протонных проводниках (на примере BaSn0.8Y0.2O3−δ) с целью одновременного выделения ионной и электронной составляющей проводимости. С применением уникальной установки были впервые получены закономерности изменения объемной и зернограничной проводимостей исследуемого объекта в широких диапазонах изменения температур, парциальных давлений кислорода и паров воды. Детальный анализ спектров импеданса методом распределения времен релаксации (DRT) позволил впервые установить наличие двух типов границ зерен: ‘чистых’ зерен с высокой ионной (протонной) проводимостью и низкопроводящих зерен, покрытых оксидом меди (использовался как спекающая добавка для получения высокоплотной керамики). Эти результаты важны с точки зрения получения функциональной керамики с регулируемым уровнем ионной проводимости и ее дальнейшего применения в электрохимических устройствах.
– Протонпроводящие оксидные электролиты, одному из которых посвящена данная работа, обычно представляют собой поликристаллические материалы, в которых перенос заряда осуществляется внутри зерен и по границам зерен. Причем, механизм ионного и электронного переноса через зерна и границы зерен в таких оксидных материалах неодинаков. Из-за различной химии зерен и их границ появляются слои пространственного заряда, локальные структурные искажения и дефекты, сегрегирующиеся на границах зерен. Поэтому исследование особенностей ионного и электронного транспорта является чрезвычайно важным направлением для разработки высокопроводящих электролитов, которые используются в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) и электролизерах (ТОЭ). – рассказывает младший научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств и топливных элементов ИВТЭ УрО РАН, Георгий Старостин.
– В этой статье нам удалось более глубоко проникнуть в суть объемного и зернограничного транспорта керамики, которая обладает мультипереносом: наряду с выраженной протонной проводимостью станнат бария как представитель некоторых оксидных перовскитов обладает также кислородионной и дырочной проводимостью. Причем каждая такая парциальная проводимость ведет себя по-разному в объеме керамического материала и по границам зерен. Можно сказать, что при одних и тех же условиях общая проводимость подобных материалов является суммой шести (!) компонентов. В этой работе мы разработали оригинальный способ для разделения общей проводимости на составляющие и реализовали этот способ с использованием не менее оригинальной экспериментальной установки, которую также запатентовали. – добавляет младший научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах, Инна Старостина.
– Разработка новых протонпроводящих электролитов для их применения в ТОТЭ или ТОЭ – является важным направлением современной высокотемпературной электрохимии и водородной энергетики. В рамках этого направления мы несколько лет назад сосредоточили свое внимание на относительно новом классе протонных проводников – допированном станнате бария, – которые, как оказалось, обладают рядом интересных особенностей, нехарактерных для других представителей этого класса. Начав с вопросов материаловедения, мы получили важную информацию с точки зрения их синтеза, получения плотной керамики, стабильности и термомеханических свойств. Позже – начали исследовать электротранспортные характеристики. На примере станната бария мы впервые выявили наличие двух типов границ зерен, которые имеют своих отклики на импедансе. Стоит отметить, что получение керамики проводили с применением так называемых спекающих добавок, в данном случае – с применением оксида меди. Оказалось, что эта добавка имеет тенденцию к локализации на границах зерен, меняя природу их переноса. Другие исследователи также используют спекающие добавки, но с применением электрохимической импедансной спектроскопии фиксировали лишь один “усредненный” отклик границ зерен. Наши успехи в решении этого вопроса основывались на детальном анализе электрохимических данных с применением метода распределения времен релаксации (для этого мы привлекли мировых специалистов в этой области), а также качественном химическом анализе полученной керамики. Можно утверждать, что данная работа послужит отправной точкой для более детального исследования особенностей электропереноса в подобных системах. – резюмировал заведующий лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах, д-р хим. наук. Дмитрий Медведев.
