Источник фото — arstechnica.com
Топливные элементы преобразуют химическую энергию топлива в электроэнергию. Технически это происходит за счет взаимодействия газа-топлива и газа-окислителя через твердый электролит (вещество, проводящее электрический ток за счет диссоциации на ионы). Наиболее перспективными являются водородно-воздушные топливные элементы, в процессе работы которых водород (топливо) вступает во взаимодействие с атмосферным кислородом (окислителем), образуя воду. При этом для успешного протекания реакции роль электролита должен выполнять материал, отличающийся высокой анионной (кислород-ионной) проводимостью, и никакой иной. Этому условию отвечают перовскит (титанат кальция, природная форма которого встречается в породах вулканического происхождения), а также диоксид циркония (прочный материал, который применяется в стоматологии), стабилизированный оксидом иттрия (бесцветными кристаллами, нерастворимыми в воде).
Участники проекта с помощью суперкомпьютерного моделирования выявили новое вещество – уже упомянутый магноколумбит (MgNb2O6), который обладает кислород-ионной проводимостью и при этом лишен электронной и катионной (электронно-ионной). «Как правило, кристаллы могут обладать либо электронным, либо смешанным (электронно-ионным) типами проводимости», – цитирует «Российская газета» кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Самарского политеха Артема Кабанова. «Обнаруженное нами соединение имеет только анионную проводимость, то есть кислородную, так как в качестве аниона выступает кислород. Известно всего несколько десятков веществ с подобной характеристикой».
Авторы исследования полагают, что анионная проводимость обусловлена наличием дефектов в кристаллической решетке магноколумбита, из-за чего подвижные ионы в ходе реакции водорода и кислорода «перескакивают» на свободную позицию поблизости, освобождая собственную.
«Реакция в топливном элементе идет только при высокой температуре, поэтому электролит должен быть устойчив к ней. Магноколумбит в этом аспекте показал себя не хуже перовскитов или соединения на основе циркония и иттрия. Кроме того, магноколумбит устойчив к агрессивной среде топливного элемента и обладает подходящим коэффициентом линейного расширения», – резюмирует А. Кабанов (цитата по РИА Новости). Благодаря этим свойствам новый материал может найти применение не только в топливных элементах, но также в датчиках-анализаторах газов.
