Химики из Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии в Екатеринбурге разработали новые электрохимические ячейки для электролиза воды в присутствии углекислого газа. Оказалось, что ячейки работают лучше в жестких условиях — при повышенной концентрации углекислого газа. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.
Твердооксидные топливные элементы — электрохимические ячейки, в которых используется не жидкий электролит, а твердый — вещество, которое в силу своего состава может «проводить» заряженные ионы водорода или кислорода. Такие электролиты более стабильны, особенно при высоких температурах. Твердооксидные ячейки нередко используют для получения водорода электролизом воды: на аноде происходит разложение воды, а на катоде полученные протоны (ионы водорода Н+) соединяются с электронами и формируют молекулярный водород.
Если электролиз происходит в присутствии углекислого газа (СО2), то часть электронов тратится на восстановление этого вещества. Тогда результатом электролиза становится так называемый синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода (СО). Синтез-газ — это что-то вроде полуфабриката топлива: в дальнейшем его можно, например, превратить в жидкие углеводороды с помощью каталитического процесса Фишера. Получение синтез-газа электролизом воды — очень перспективный процесс, который одновременно позволяет избавиться от углекислого газа и получить топливо. Кстати, сейчас ученые разрабатывают похожие ячейки, которые могли бы работать от солнечной энергии, — тогда процесс будет вдвойне экологичным.
Химики из Екатеринбурга, впрочем, сосредоточились на «классических» ячейках и выборе наилучшего твердого электролита для них. Этот материал должен обеспечивать хорошую проводимость протонов и одновременно быть стабильным в атмосфере СО2 при температуре 700 градусов Цельсия, поэтому подобрать его состав не так просто. Обычно используют сложные оксиды циркония и иттрия с добавками других металлов, например церия.
Авторы новой работы заменили иттрий на диспрозий и получили материал с составом BaCe0.3Zr0.5Dy0.2O3−δ. Его проводимость оказалась выше, так как протоны меньше «застревали» на границах зерен (отдельных кристаллов в поликристаллическом материале), поэтому и финальные ячейки работали лучше. Стабильность тоже была на высоком уровне: за десять часов работы ячейки потеряли всего 0,7 процента эффективности. Впрочем, для промышленного применения этот параметр предстоит еще улучшать.
Более того, ячейки работали даже лучше в более «жестких» условиях, когда атмосфера была дополнительно обогащена углекислым газом. Например, при увеличении давления СО2 с 0 до 0,9 атмосферы, скорость образования водорода возрастала почти на 15 процентов. Дело в том, что избыток СО2 подавлял некоторые нежелательные процессы на катоде, в результате чего удавалось достичь оптимального сопротивления и плотности тока, то есть лучшей эффективности ячеек.
