Синтез допированного цинком лантансодержащего перовскита LaInO₃, перспективного для использования в качестве электролита в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), впервые провела команда ученых Уральского федерального университета (УрФУ) и Института высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН, 31 мая сообщает пресс-служба УрФУ.

Статью об исследовании нового электролита коллектив представил в статье «Ионный (O²⁻, H⁺) транспорт в новом легированном Zn перовските LaInO₃», опубликованной в International Journal of Hydrogen Energy.

Исходным материалом для электролита ученые взяли известный перовскит LaInO₃ — индат лантана, обладающий химической устойчивостью и способностью к протонной проводимости при соответствующем уровне допирования, но при этом очень низкой электропроводностью.

Чтобы увеличить электропроводность, являющуюся одной из основных характеристик электролита, ученые создали кислородные вакансии. Увеличенное таким образом свободное пространство внутри структуры вещества упростило ионный перенос.

Участница исследовательской группы, соавтор статьи, инженер кафедры физической и неорганической химии УрФУ, младший научный сотрудник ИВТЭ УрО РАН Анастасия Егорова пояснила:

«Мы решили задачу допированием исходного перовскита катионами цинка и замещением ими небольшой части ионов индия. В нашем случае цинк — это двухвалентный металл на месте трехзарядного индия, создающий вакансии кислорода в структуре именно за счет разницы в заряде. Формирование кислородных вакансий способствует росту электропроводности материала — образуются кислородные вакансии, и проводимость становится лучше».

Выбор допантом цинка обусловлен тем, что он не ядовит, в отличие от ртути или кадмия из той же подгруппы Периодической системы химических элементов, и устойчив к воздействию углекислого газа, влаги и кислорода, присутствующих в воздухе.

Кроме того, допирование цинком снижает температуру спекания полученного электролита на 200 °C, а сам электролит при этом имеет высокую плотность. Кроме химических свойств, играет роль то, что цинк значительно дешевле индия.

Всё это дает уральским ученым основание утверждать, что допирование цинком является наиболее выгодной стратегией, которая позволила увеличить общую электропроводность исходного индата лантана на два порядка.

Полученный в результате допирования материал имеет высокую электропроводность, а температура его использования в качестве электролита для ТОТЭ находится в среднетемпературном диапазоне — 500–700 °C, что позволяет применять такие топливные элементы, например, на электростанциях.

«Эффект замещения индия в индате лантана пока слабо изучен наукой: так, известно о применении в качестве допанта олова, но к значимому улучшению электропроводности это не привело. Повышение электропроводности с помощью замещения индия достигнуто нами впервые, мы принципиально показали, что на место индия может быть внедрен цинк. Поэтому наши исследования носят новаторский характер. Причем в наших опытах цинк заместил чуть больше 5% индия, однако, возможно создание материала, в котором цинк и индий находятся в пропорциях 1:1», — рассказала Анастасия Егорова.

В более ранних экспериментах было установлено, что при допировании стронцием электропроводность возрастает на три порядка, и в дальнейших планах команды исследователей проведение экспериментов по совместному допированию индата лантана цинком и стронцием.

Предполагается, что в такой паре стронций будет повышать электропроводность, а цинк защищать электролит от воздействия углекислого газа.