Химики выяснили устройство полупроводников для создания топливных элементов

ТАСС, 27 августа. Российские химики выяснили, как устроены так называемые двойные перовскитоподобные оксиды – перспективные полупроводниковые материалы, которые используют для производства твердых электролитов для топливных элементов. Понимание их структуры ускорит разработку новых материалов такого рода, пишет пресс-служба НИУ ВШЭ. Описание исследования опубликовал Journal of Alloys and Compounds.

"Ученые сходятся во мнении, что полупроводники могут эффективно использоваться в качестве электролитов в топливных элементах благодаря хорошим электрохимическим характеристикам и высокой ионной проводимости. Дальнейшее исследование свойств двойных перовскитоподобных оксидов откроет новые возможности использования этого многообещающего материала", – рассказал один из авторов работы, главный научный сотрудник НИУ ВШЭ Евгений Чулков.

Топливные элементы – это один из относительно новых способов хранения электрической энергии, в которых энергия извлекается в результате химических реакций между двумя растворами химических веществ. Как правило, они состоят из емкостей, насосов, наборов электродов и специальной мембраны, позволяющей веществам, присутствующим в том и другом растворе, вступать в реакции друг с другом.

Подобные батареи значительно более долговечны, чем их "твердые" литиевые аналоги, однако их достаточно сложно и дорого изготавливать, а также они обладают относительно низкой скоростью зарядки или требуют регулярной замены топлива и окислителя. Химики пытаются решить эти проблемы, подбирая новые пары взаимодействующих веществ и разрабатывая новые типы электролитов.

Один из самых перспективных материалов такого рода, как отмечает Чулков, – это вещества из категории двойных перовскитоподобных оксидов. Они представляют собой сложные соединения кислорода, стронция, магния, молибдена и никеля, похожие по структуре на так называемые перовскиты.

Батареи нового поколения

Перовскитами, или гибридными перовскитами, называют гибкие и легкие полупроводниковые материалы с достаточно необычными свойствами и структурой. Они похожи по устройству на природный минерал перовскит, хорошо поглощающий свет и превращающий его в другие формы энергии благодаря тому, как внутри него расположены "кубы" из атомов металлов и восьмигранники из атомов кислорода.

Химики давно предполагают, что двойные перовскитоподобные оксиды должны хорошо подходить для создания твердотельных топливных элементов, способных работать при низких температурах окружающей среды. Проблема заключается в том, что раньше ученые не до конца понимали их внутреннюю структуру и знали далеко не все их свойства, из-за чего результаты опытов с двойными перовскитоподобными оксидами часто расходились с предсказаниями теории.

Авторы нового исследования получили подобные сведения в ходе теоретических расчетов, в рамках которых они просчитали поведение электронов в молекулах этого материала, а также сопоставили их результаты с замерами электрической проводимости и других свойств двойных перовскитоподобных оксидов.

Это позволило Чулкову и его коллегам доказать, что данное вещество действительно обладает полупроводниковыми свойствами, раскрыть причину его необычной стабильности, а также понять, при каких условиях двойные перовскитоподобные оксиды будут нестабильными. В частности, это происходит при попадании двойных перовскитоподобных оксидов в сильную щелочную среду.

Как надеются ученые, собранные ими сведения заметно ускорят разработку нового поколения этих веществ, способных исполнять роль электролитов в твердотельных топливных элементах при низких температурах окружающей среды. В перспективе, это значительно расширит практическое применение подобных источников энергии.