Ученые УрФУ повысили эффективность производства ионных проводников
Протонпроводящая керамика — материал, который может передавать протоны (атомы водорода) при высоких температурах. Это свойство делает его полезным для различных приложений, таких как топливные элементы, электролизеры, солнечные панели, датчики и сенсоры. Однако существующие типы протонпроводящей керамики имеют недостатки, такие как низкая химическая устойчивость, высокое зернограничное сопротивление или сложность синтеза. Поэтому исследователи постоянно ищут новые способы улучшения характеристик этого материала.
Недавно группа ученых из Института высокотемпературной электрохимии Уральского федерального университета (УрФУ) обнаружила, что керамика на основе станната бария (BaSnO3) обладает высокой протонной проводимостью и химической устойчивостью. Кроме того, они нашли способ эффективнее производить этот материал с помощью спекающих добавок.
Станнат бария — соединение, состоящее из бария, олова и кислорода. Он имеет кристаллическую структуру перовскита, которая позволяет вводить в нее различные примеси, изменяя ее свойства. В частности, ученые УрФУ ввели в станнат бария ионы лантана (La3+), которые замещают часть ионов бария (Ba2+). Это приводит к образованию кислородных вакансий в кристаллической решетке, которые могут быть заполнены протонами при взаимодействии с водой или водяным паром. Таким образом, получается протонпроводящая керамика состава Ba2–xLaxSnO4+δ, где x — степень замещения бария лантаном, а δ — количество кислородных вакансий.
Однако для получения однородной и плотной керамики из этого состава необходимо проводить высокотемпературный спекание при 1150–1200°C. Это требует большого энергопотребления и может приводить к разложению керамики на простые оксиды при длительном хранении на воздухе. Поэтому ученые УрФУ использовали спекающие добавки, которые понижают температуру спекания и улучшают морфологию керамики. В качестве таких добавок они выбрали оксид меди (CuO) и оксид цинка (ZnO), которые вводили в шихту в количестве 0.5 масс.%. Эти добавки способствуют уменьшению размера зерен, увеличению плотности и уменьшению пористости керамики. Кроме того, они не влияют на структуру и состав керамики, а также на ее протонную проводимость.
Исследователи изучили характеристики нового материала на самодельной установке, которая не имеет аналогов. Она позволяет проводить исследования свойств различных керамических, включая протонные, электролиты. Разработчики установки получили на нее патент в октябре 2023 года.
Исследователи УрФУ провели исследование керамики с использованием различных методов анализа, таких как рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, термогравиметрический анализ и четырехзондовый метод измерения электропроводности. Это позволило им установить, что керамика имеет особую структуру, называемую структурой Раддлесдена-Поппера, которая сохраняется при добавлении определенных компонентов, таких как лантан и спекающие добавки.
Они также обнаружили, что данная керамика обладает высокой протонной проводимостью, которая достигает значения 10–2 См/см при температуре 600°C во влажной среде. Это значение сопоставимо с лучшими протонопроводящими материалами, такими как цераты и цирконаты бария. Кроме того, керамика обладает высокой химической стойкостью и не разлагается при хранении на воздухе в течение месяца.
Таким образом, исследователи УрФУ показали, что керамика на основе станната бария с примесями лантана и спекающих добавок является перспективным материалом для применения в технологиях, которые требуют протонпроводимости. Они разработали эффективный способ производства этого материала, который позволяет получать однородную, плотную и стойкую керамику при низких температурах спекания.
Недавно группа ученых из Института высокотемпературной электрохимии Уральского федерального университета (УрФУ) обнаружила, что керамика на основе станната бария (BaSnO3) обладает высокой протонной проводимостью и химической устойчивостью. Кроме того, они нашли способ эффективнее производить этот материал с помощью спекающих добавок.
Станнат бария — соединение, состоящее из бария, олова и кислорода. Он имеет кристаллическую структуру перовскита, которая позволяет вводить в нее различные примеси, изменяя ее свойства. В частности, ученые УрФУ ввели в станнат бария ионы лантана (La3+), которые замещают часть ионов бария (Ba2+). Это приводит к образованию кислородных вакансий в кристаллической решетке, которые могут быть заполнены протонами при взаимодействии с водой или водяным паром. Таким образом, получается протонпроводящая керамика состава Ba2–xLaxSnO4+δ, где x — степень замещения бария лантаном, а δ — количество кислородных вакансий.
Однако для получения однородной и плотной керамики из этого состава необходимо проводить высокотемпературный спекание при 1150–1200°C. Это требует большого энергопотребления и может приводить к разложению керамики на простые оксиды при длительном хранении на воздухе. Поэтому ученые УрФУ использовали спекающие добавки, которые понижают температуру спекания и улучшают морфологию керамики. В качестве таких добавок они выбрали оксид меди (CuO) и оксид цинка (ZnO), которые вводили в шихту в количестве 0.5 масс.%. Эти добавки способствуют уменьшению размера зерен, увеличению плотности и уменьшению пористости керамики. Кроме того, они не влияют на структуру и состав керамики, а также на ее протонную проводимость.
Исследователи изучили характеристики нового материала на самодельной установке, которая не имеет аналогов. Она позволяет проводить исследования свойств различных керамических, включая протонные, электролиты. Разработчики установки получили на нее патент в октябре 2023 года.
Исследователи УрФУ провели исследование керамики с использованием различных методов анализа, таких как рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, термогравиметрический анализ и четырехзондовый метод измерения электропроводности. Это позволило им установить, что керамика имеет особую структуру, называемую структурой Раддлесдена-Поппера, которая сохраняется при добавлении определенных компонентов, таких как лантан и спекающие добавки.
Они также обнаружили, что данная керамика обладает высокой протонной проводимостью, которая достигает значения 10–2 См/см при температуре 600°C во влажной среде. Это значение сопоставимо с лучшими протонопроводящими материалами, такими как цераты и цирконаты бария. Кроме того, керамика обладает высокой химической стойкостью и не разлагается при хранении на воздухе в течение месяца.
Таким образом, исследователи УрФУ показали, что керамика на основе станната бария с примесями лантана и спекающих добавок является перспективным материалом для применения в технологиях, которые требуют протонпроводимости. Они разработали эффективный способ производства этого материала, который позволяет получать однородную, плотную и стойкую керамику при низких температурах спекания.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
Сверхзвуковой флот США стоимостью 3,8 миллиарда долларов едва не был уничтожен детской игрушкой
По словам американских экспертов, Пентагон находится в панике. Против США применили технологию, которую разработали… американские союзники...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...
Вот почему самый загадочный в мире 600-летний текст до сих пор не расшифрован
Рукопись Войнича могли переплести не по порядку, и этот факт дает ответы на многие вопросы...
Загадочный звездный узор на знаменитой картине Ван Гога поставил точку в споре столетней давности
Выяснилось, что целая толпа литературоведов сильно ошибалась в биографии великого художника...
Шимпанзе смогли создать свою цивилизацию, если бы 4 миллиона лет назад в их развитие не вмешался древний вирус
Новая научная работа наглядно демонстрирует, как сильно вирусы могут управлять развитием жизни на Земле. Страшно подумать, но ведь человечества могло и не быть...
Парадокс Ванильного острова: почему на Мадагаскаре все рано или поздно заканчивается революцией
Что такое «красные зоны»? Как с ними связаны горбатые быки? И, вообще, какую роль в этой истории сыграла японское аниме?...
Европа и Северная Америка — это… один континент: по революционной теории, Атлантический океан так и не разделил их до конца
При этом западные географы «лишились» целого континента, а в России Азия ушла в «самостоятельное плавание»...
Новая окаменелость подтверждает: предок человека появился на 200 000 лет раньше, чем считали ученые
Антропологи говорят, что доминировал тогда совсем другой вид, а в итоге выжил именно наш далекий пращур...
1600-летняя нанотехнология удивительного римского стекла, меняющего цвет, наконец-то раскрыта
У древних мастеров не было ни микроскопов, ни знаний о наномире, но почему современные ученые смогли повторить их материал только сейчас?...
Марс и Луну проверят на следы древних цивилизаций: как ученые собираются это сделать
Новая технология принесет пользу, даже если исследователи не найдут инопланетян...
Секрет шаровой молнии раскрыт? Китайские ученые провели серию крайне необычных опытов
До разгадки феномена еще далеко, но, возможно, сделаны большие шаги в нужном направлении...
Горбатые киты растут гораздо быстрее в одних океанах, чем в других: что скрывается за этой аномалией?
Но, может быть, разгадка феномена проще, чем думают ученые. И она вовсе не в китах...