ИСТИНА

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой один из наиболее перспективных типов электрохимических генераторов энергии для создания стационарных энергоустановок с широким интервалом значений мощности (от кВт до МВт). Основные проблемы, тормозящие широкую коммерциализацию ТОТЭ, связаны с их высокой рабочей температурой (до 1000оС). Химическое взаимодействие между компонентами ТОТЭ при высокой температуре и возникающее в результате этого изменение микроструктуры границ раздела функциональных слоев ограничивает срок службы таких устройств. Кроме того, высокая стоимость производства ТОТЭ и затраты на сервисное обслуживание также ограничивают широкий выход таких устройств на международный энергетический рынок. Одним из способов снижения капитальных затрат на производство ТОТЭ и повышения их экономической привлекательности является переход от технологии производства ТОТЭ, в которой традиционно используются Zr1-xYxO2-x/2 (YSZ) в качестве электролита, кермет Ni-YSZ – в качестве анода и La1-xSrxMnO3 (LSM) – в качестве катода, к технологии создания так называемых «симметричных» ТОТЭ (СТОТЭ), где наряду с традиционно используемыми твердыми электролитами в качестве электродов выступает один и тот же по химическому составу материал, выполняющий одновременно анодную и катодную электрохимические функции. В частности, использование одинаковых по химическому составу и микроструктуре материалов катода и анода снижает энергозатраты при изготовлении ТОТЭ за счет уменьшения количества стадий термообработки при его производстве. Несмотря на значительный интерес к этой тематике, подчеркивающий ее высокую актуальность, в англоязычной литературе имеется лишь ограниченное число посвященных ей обзоров (J.-C. Ruiz-Morales, D. Marrero-López, J. Canales-Vazquez, J.T.S. Irvine, RSC Advances, 2011, 1, 140 и C. Su, W. Wang, M. Liu, M.O. Tadé, Z. Shao, Advanced Energy Materials, 2015, 5), а обзоры на русском языке полностью отсутствуют. Таким образом можно констатировать, что актуальная информация обобщающего характера по данной теме, полученная за последнее время, в научных изданиях отсутствует. В предлагаемом обзоре мы планируем всесторонне рассмотреть физико-химические свойства однофазных материалов на основе перовскитоподобных оксидов, а также соединений, кристаллизующихся в других структурных типах, с точки зрения их практического использования в качестве электродных материалов СТОТЭ. Обзор будет включать несколько частей, посвященных ключевым характеристикам электродных материалов СТОТЭ. Особое внимание будет уделено анализу термодинамической устойчивости перовскитоподобных оксидов как в окислительной, так и восстановительных средах, а также влиянию на нее природы катиона d-металла. Планируется рассмотреть химическую устойчивость различных перовскитных электродных материалов по отношению к реакции взаимодействия со стандартными материалами ТОТЭ на основе оксидов ZrO2 и CeO2, допированных катионами РЗЭ. Будут проанализированы закономерности изменения кислородного содержания в различных перовскитных соединениях в зависимости от температуры и парциального давления кислорода. Вместе с этим планируется рассмотреть влияние природы катиона d-металла, кристаллической структуры, температуры и парциального давления кислорода на высокотемпературное термическое расширение, а также электропроводящие свойства перовскитоподобных оксидных материалов. Заключительная часть обзора будет посвящена обобщению последних электрохимических данных по практическому использованию в СТОТЭ электродных материалов на основе перовскитоподобных оксидов, содержащих в своем составе катионы хрома, марганца, железа, кобальта, а также молибдена. В отдельном разделе будут проанализированы электрохимические свойства электродных материалов СТОТЭ, имеющих кристаллические структуры, отличные от структуры перовскита.

Написание обзора по заявленной тематике и его публикация в русскоязычном журнале

Авторы проекта успешно выполняют совместные работы в области синтеза и исследования новых материалов для высокотемпературных электрохимических устройств на протяжении последних 10 лет. Уникальной особенностью коллектива является компетенция в проведении комплекса исследований новых материалов для высокотемпературных электрохимических устройств, включающего использование разнообразных методов синтеза, исследования кристаллической структуры и физико-химических свойств материалов, важных для их практического применения. Результатом совместной деятельности стала публикация 10 статей в ведущих международных и российских журналах, а также одного патента. Среди достижений научного коллектива следует отметить комплекс работ по исследованию высокотемпературных свойств и электрокаталитической активности перовскитоподобных купратов в реакции восстановления кислорода. В результате был предложен новый катодный материал для ТОТЭ на основе купрата празеодима Pr2CuO4. Этот материал сочетает в себе ряд привлекательных для катодного материала ТОТЭ свойств, таких как простота химического состава и легкость синтеза, высокую электропроводность, достигающую 110 См/см при 900оС, низкий КТР (11.8 10-6 K-1) и высокую каталитическую активность в реакции восстановления кислорода. Другим важным результатом совместной работы стал вывод о важности присутствия блоков со структурой каменной соли в структуре слоистых оксидов состава A2BO4, где В – катион 3d-металла для обеспечения высокой кислород-ионной проводимости. В 2016-2018 гг. коллектив авторов проекта при поддержке РНФ проводил исследования в области поиска новых материалов для СТОТЭ. В ходе работы были получены новые перспективные электродные материалы СТОТЭ на основе оксидов d-металлов.