 Ученые из ведущих государственных университетов Южной Каролины сделали открытие, которое может резко повысить эффективность батарей и топливных элементов.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, включает улучшение переноса ионов кислорода, ключевого компонента в преобразовании химических реакций в электрические. Команда исследовала хорошо известный материал, легированный оксид церия гадолиния (GDC), который транспортирует ионы кислорода и используется в настоящее время в качестве твердого электролита топливного элемента. Благодаря использованию добавок и «умной» химической реакции, они продемонстрировали значительно улучшенную проводимость в GDC. Результатом стало более быстрое и эффективное преобразование в электроэнергию.
«Этот прорыв откроет путь для преобразования энергии следующего поколения и устройств хранения данных со значительной улучшенной производительностью, повышая энергетическую эффективности и делая энергию экологически безопасной и устойчивой», сказал Фанглин (Франк) Чэнь, профессор Университета Южной Каролины по машиностроению.
«Происхождением низкой проводимости по границам зерен, является, как известно, разделение гадолиния (Gd) в границе зерен, что приводит к встроенному заряду на интерфейсе, именуемому эффектом пространственного заряда», говорит Чен. «Это встроенный заряд служит барьером для переноски ионов на границе. Задача состоит в том, чтобы эффективно избежать сегрегации гадолиния на границе зерна. Границ зерен является крайне узкой - порядка нескольких нанометров. Поэтому чрезвычайно трудно охарактеризовать и рационально контролировать количество гадолиния в такой узкой области».
«Для того, чтобы сделать "чистые" границы зерен и избежать сегрегации гадолиния на границе, мы добавили электронный проводник, кобальтовую железистую шпинель (CFO), в результате чего получилась композитная структура», сказал Кайл Бринкман, профессор университета Клемсона и соавтор работы. «CFO реагирует с избытком гадолиния, присутствующего в границе зерен GDC с образованием третьей фазы. Было обнаружено, что этот новый этап также может служить отличным ионным проводником кислорода. Кроме того, мы исследовали атомную микроструктуру вокруг границы зерен через ряд методов характеризации с высоким разрешением и обнаружили, что сегрегация гадолиния на границе зерна была устранена, что привело к резкому улучшению проводимости ионов кислорода в границе зерен проводимости. Усовершенствованная ионная проводимость кислорода GDC была продемонстрирована в эксперименте проникновения кислорода, где повышенный перенос ионов кислорода использовался для отделения чистого кислорода из воздуха при повышенных температурах. Подход может быть применен к ряду существенных материалов для преобразования энергии и в устройствах хранения, используемых в портативной электронике, автомобилях и электростанциях, что делает их экономически более эффективным, действенными и экологически чистыми.
В настоящее время керамических композиты, состоящих из ионных и электронных проводящих компонентов, таких как указанные в данном исследовании, рассматриваются для устройств мембранного разделения, которые обеспечивают кислород для повышения конверсии угля и природного газа, а также для мембранных реакторов, используемых в преобразовании природного газа и восстановления.
|
