Технология выделения кобальта улучшает топливные элементы

Топливные элементы представляют собой эффективную и экологичную альтернативу традиционным энергетическим системам на ископаемом топливе. Особый интерес вызывают твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), которые способны работать на различных видах топлива, демонстрируют высокий КПД и обратимость.

Перспективными катодными материалами для низко- и среднетемпературных ТОТЭ являются слоистые перовскиты, легированные кобальтом. Они обладают превосходными электрохимическими характеристиками благодаря высокому содержанию кислорода и гибкому контролю его транспорта.

Однако электроды на основе этих материалов демонстрируют низкую долговременную стабильность. Одной из ключевых стратегий решения этой проблемы является процесс выделения металлических наночастиц кобальта на поверхности электрода — так называемая эксрессция.

Исследовательская группа под руководством профессора Ким Джунхёна из Национального университета Ханбат представила первое экспериментальное доказательство эксрессции кобальта в высокотемпературной окислительной атмосфере. Это открытие меняет существующие представления о данном процессе.

Учёные исследовали электрохимические свойства и содержание кислорода в двух слоистых перовскитных структурах с различной степенью замещения железом. Наилучшие результаты показали образцы с 30% и 50% содержанием железа.

При воздействии окислительной атмосферы при высоких температурах оба образца продемонстрировали эксрессцию кобальта выше 700°C. Количество частиц увеличивалось с ростом температуры, достигая максимума при 900°C.

Исследователи объяснили, что в окислительных условиях при высоких температурах более слабые связи Co–O разрываются, в то время как связи Fe–O остаются стабильными. Образующиеся кислородные вакансии и атомы кобальта мигрируют к поверхности, приводя к процессу эксрессции.

Образец с 30% содержанием железа формировал более мелкие, но многочисленные частицы кобальта, что обеспечивало меньшее удельное сопротивление и более высокую активность кислородной восстановительной реакции.

Полученные результаты открывают новые возможности для создания более эффективных и производительных топливных элементов, а также могут найти применение в системах разделения кислорода и экологических каталитических технологиях.