Новый топливный элемент работает при 300°C, что удешевит водородную энергетику

Исследователи из Университета Кюсю совершили прорыв в области водородной энергетики, разработав твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), эффективно работающий при температуре всего 300°C. Это значительно ниже стандартных 700-800°C, что позволит резко снизить стоимость систем и приблизить их к потребительскому уровню.

Цифровое изображение формирования путей переноса протонов в BaSnO₃ и BaTiO₃ благодаря высокой концентрации замещений скандием. Предоставлено: Университет Кюсю / Ёсихиро Ямадзаки.

Ключом к успеху стало создание нового электролита — керамического слоя, переносящего протоны. Учёные обнаружили, что оксиды бария-олова (BaSnO₃) и бария-титаната (BaTiO₃), легированные большим количеством скандия (Sc), достигают необходимой протонной проводимости при низкой температуре.

«Снижение рабочей температуры до 300°C резко сократит материальные затраты и откроет дверь для систем потребительского уровня», — говорит профессор Ёсихиро Ямадзаки, руководивший исследованием.

Структурный анализ показал, что атомы скандия образуют в кристаллической решётке «магистраль ScO₆», по которой протоны движутся с низким энергетическим барьером. Это решает давнюю проблему: добавление легирующих веществ обычно увеличивает количество протонов, но «засоряет» решётку, замедляя их движение.

Открытие не только открывает путь к доступным низкотемпературным ТОТЭ, но и может быть применено в других технологиях, таких как низкотемпературные электролизёры, водородные насосы и реакторы для преобразования CO₂ в ценные химические вещества, что усилит влияние декарбонизации.

Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.