Эффект бутерброда
Удивительный материал с колоссальной проводимостью ионов кислорода, которая при комнатной температуре в сто миллионов раз больше, чем у всех известных твердых электролитов, предложили ученые из Мадридского университета. Материал обещает значительно повысить эффективность твердооксидных топливных элементов и снизить их рабочую температуру до комнатной.
Как известно, современные топливные элементы способны эффективно преобразовывать химическую энергию окисления водорода в электрический ток. В них всегда есть два электрода — катод и анод, которые должны быть надежно изолированы друг от друга специальной мембраной (слоем так называемого твердого электролита), чтобы электроны могли течь только через внешнюю цепь с полезной нагрузкой. В то же время, чтобы замкнуть цепь между электродами, сквозь мембрану должны проходить либо протоны — положительные ионы атомов водорода, либо, наоборот, отрицательные ионы кислорода.
Мембраны для маленьких протонов сделать гораздо легче.
Их обычно изготавливают из полимеров, и протонные топливные элементы, слегка нагреваясь, работают при температуре 50-100 градусов Цельсия. Сделать же хорошие мембраны для больших ионов кислорода с приемлемой проводимостью при обычной температуре до сих пор не удавалось. Чаще всего их изготавливают из специальных оксидных керамик, в которых ионы кислорода начинают активно "скакать" от вакансии к вакансии лишь при температуре 600-1000 градусов. Зато таким топливным элементам не нужны дорогие катализаторы для расщепления молекул водорода, и они менее привередливы к топливу. Однако высокая рабочая температура сильно усложняет конструкцию твердооксидных топливных элементов и заставляет задуматься об утилизации их тепла, например, с помощью обычных турбин.
Так что применение подобных элементов становится оправданным лишь в крупных энергетических установках.
Но теперь ситуация может измениться. Новая мембрана представляет собой эпитаксиальную гетероструктуру из чередующихся слоев стабилизированного иттрием оксида циркония и титаната стронция ZrO2:Y2O3/SrTiO3. На границе слоев этих двух материалов с разными кристаллическими решетками возникают прямые пути из вакансий, по которым ионы кислорода могу двигаться с минимальным сопротивлением. Поперечная ионная проводимость такой мембраны на восемь порядков больше, чем у всех известных материалов. В структуре и механизме работы новой мембраны ученым удалось разобраться в Окриджской национальной лаборатории США с помощью уникального сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с разрешением 0,6 ангстрема.
