Химики из Уральского федерального института и Института высокотемпературной электрохимии в Екатеринбурге разработали новые химические ячейки для электролиза воды в присутствии углекислого газа. Оказалось, что ячейки работают лучше в жестких критериях — при повышенной концентрации углекислого газа. Результаты исследования размещены в Journal of Materials Chemistry A.
Твердооксидные топливные элементы — химические ячейки, в которых используется не водянистый электролит, а твердый — вещество, которое в силу собственного состава может «проводить» заряженные ионы водорода либо кислорода. Такие электролиты более стабильны, в особенности при высоких температурах. Твердооксидные ячейки часто используют для получения водорода электролизом воды: на аноде происходит разложение воды, а на катоде приобретенные протоны (ионы водорода Н+) соединяются с электронами и сформировывают молекулярный водород.
Если электролиз происходит в присутствии углекислого газа (СО2), то часть электронов тратится на восстановление этого вещества. Тогда результатом электролиза становится так именуемый синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода (СО). Синтез-газ — это что-то вроде полуфабриката горючего: в дальнейшем его можно, например, перевоплотить в жидкие углеводороды с помощью каталитического процесса Фишера. Получение синтез-газа электролизом воды — очень многообещающий процесс, который одновременно позволяет избавиться от углекислого газа и получить горючее. Кстати, сейчас ученые разрабатывают похожие ячейки, которые могли бы работать от солнечной энергии, — тогда процесс будет вдвойне экологичным.
Химики из Екатеринбурга, вобщем, сосредоточились на «классических» ячейках и выборе лучшего твердого электролита для них. Этот материал должен обеспечивать неплохую проводимость протонов и одновременно быть размеренным в атмосфере СО2 при температуре 700 градусов Цельсия, потому подобрать его состав не так просто. Обычно употребляют сложные оксиды циркония и иттрия с добавками других металлов, к примеру церия.
Авторы новой работы поменяли иттрий на диспрозий и получили материал с составом BaCe0.3Zr0.5Dy0.2O3−δ. Его проводимость оказалась выше, так как протоны меньше «застревали» на границах зернышек (отдельных кристаллов в поликристаллическом материале), потому и финальные ячейки работали лучше. Стабильность тоже была на высочайшем уровне: за десять часов работы ячейки утратили всего 0,7 процента эффективности. Вобщем, для промышленного применения этот параметр предстоит еще облагораживать.
Более того, ячейки работали даже лучше в более «жестких» критериях, когда атмосфера была дополнительно обогащена углекислым газом. К примеру, при увеличении давления СО2 с 0 до 0,9 атмосферы, скорость образования водорода росла почти на 15 процентов. Дело в том, что излишек СО2 подавлял некоторые нежелательные процессы на катоде, в итоге чего удавалось достичь оптимального сопротивления и плотности тока, то есть наилучшей эффективности ячеек.
