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.