Масштабируемый подход к изготовлению ультратонких протонных керамических электрохимических элементов с более низкими рабочими температурами.

A scalable approach to fabricate ultrathin protonic ceramic electrochemical cells with lower operating temperatures
a, Schematic illustration of the ultrasonic spray-coating process for applying electrolyte. b, Cross-section SEM image of PCEC full cell, which shows that an ultrathin (~3 µm), dense and bamboo-structured electrolyte layer can be fabricated via ultrasonic spray coating (cell 2). c, SEM image of the PCEC electrolyte surface, which displays an average grain size of 8 µm (cell 3). d, Illustration of the ultrathin (~3 µm), dense and bamboo-structured electrolyte layer, which shows the quasi-2D feature. It can be considered as a quasi-2D electrolyte because the grain size is much larger than the thickness. The proton flux (green arrows) does not cross grain boundaries, reducing the ASRO. e, HAADF image of the electrolyte and negative electrode. GB, grain boundary. f, EDS line scan profile along the red line shown in Credit: Liu et al./а, Схематическая иллюстрация процесса нанесения электролита ультразвуковым напылением. б, СЭМ-изображение ячейки PCEC в поперечном сечении, которое показывает, что ультратонкий (~ 3 мкм), плотный слой электролита с бамбуковой структурой может быть изготовлен с помощью ультразвукового напыления (ячейка 2). в, СЭМ изображение поверхности электролита PCEC, на котором показан средний размер зерен 8 мкм (ячейка 3). d, иллюстрация ультратонкого (~3 мкм), плотного слоя электролита со структурой бамбука, который демонстрирует квазидвухмерную особенность. Его можно рассматривать как квази-двумерный электролит, поскольку размер зерен намного больше толщины. Поток протонов (зеленые стрелки) не пересекает границы зерен, уменьшая астрофизическое, HAADF-изображение электролита и отрицательного электрода. ГБ, граница зерен. f, профиль линейного сканирования EDS вдоль красной линии, показанный на фото: Liu et al.

Протонные керамические электрохимические элементы (PCECs) — это новые энергетические технологии, содержащие электролиты на основе протонпроводящих оксидов и проводников ионов кислорода. Эти устройства могли бы внести свой вклад в продолжающийся переход к решениям в области устойчивой энергетики, способствуя глобальному производству экологически чистого водорода и электроэнергии.

PCECs обладают многочисленными преимуществами по сравнению с обычными низкотемпературными электрохимическими ячейками с электролитами на основе полимеров. Например, они могут обеспечить более высокую энергоэффективность и совместимы с различными видами топлива.

Несмотря на их хорошую производительность и выгодные характеристики, эти элементы до сих пор было трудно производить и внедрять в больших масштабах. Основная причина этого заключается в том, что их рабочая температура чрезвычайно высока, обычно более 500 °C.

Исследователи из Университета штата Канзас, горной школы Колорадо, Североамериканского технического центра Nissan (NTCNA), Nissan Motor Company и Университета Оклахомы недавно представили новую стратегию проектирования, которая позволяет снизить рабочие температуры PCECs до уровня ниже 450 °C. Предложенный ими подход, представленный в Nature Energy, мог бы помочь преодолеть препятствия, которые в настоящее время ограничивают широкое использование этих многообещающих энергетических решений.

«Снижение рабочей температуры PCEC может способствовать его масштабированию и коммерциализации», — написали Фан Лю, Хао Дэн и их коллеги в своей статье. «Однако достижение высокой энергоэффективности и длительного срока службы при низких рабочих температурах является давней задачей. Мы сообщаем о простом и масштабируемом подходе к изготовлению ультратонких, химически однородных и надежных электролитов, проводящих протоны, и демонстрируем композитный положительный электрод, сформированный in situ, Ba0.62Sr0.38CoO3-δ−Pr1.44Ba0.11Sr0.45Co1.32Fe0.68O6−δ.»

Композитный положительный электрод, созданный исследователями, может значительно снизить различные типы сопротивления в PCEC, включая омическое сопротивление и сопротивление, связанное с контактом положительный электрод-электролит и поляризацией электрода. В сочетании с оптимальными электролитами этот электрод мог бы помочь значительно улучшить производительность PCECs при температурах ниже 450°C.

Чтобы изучить потенциал предложенных ими стратегий проектирования, Лю, Дэн и их коллеги использовали их для создания новых PCEC. Затем они провели серию тестов, чтобы оценить удельную мощность этих устройств и рабочие температуры, как в то время, когда они служили топливными элементами, так и в качестве паровых электролизеров.

«PCECs обеспечивают высокую плотность мощности в режиме топливных элементов (~0,75 Вт/см2 при 450 °C и ~0,10 Вт/см2 при 275 °C) и исключительную плотность тока в режиме парового электролиза (-1,28 А/см2 при 1,4 В и 450 °C). При температуре 600 °C PCEC достигают плотности мощности ~ 2 Вт/см2», − написали Лю, Дэн и их коллеги в своей статье.

«Кроме того, мы демонстрируем прямое использование метана и аммиака для выработки электроэнергии при температуре <450 °C. Наши PCEC также стабильны при выработке электроэнергии и водорода при температуре 400°C.»

Результаты первоначальных оценок команды являются весьма многообещающими, предполагая, что предложенные ими методы могут позволить изготавливать высокоэффективные PCEC, которые могут одновременно служить в качестве топливных элементов и поддерживать производство водорода, и все это при работе при более низких температурах. Примечательно, что было также обнаружено, что электролит, созданный исследователями, обеспечивает сопротивление, сравнимое или даже более низкое, чем те, которые наблюдались в ранее разработанных PCEC, основанных на сложных процессах изготовления.

Подходы, представленные в этом недавнем документе, вскоре могут послужить основой для разработки дополнительных PCEC, которые могут работать при низких температурах, что в конечном итоге облегчит широкомасштабное внедрение этого нового энергетического решения. В будущем прототипы ячеек команды также могут быть усовершенствованы, чтобы еще больше снизить их рабочие температуры и повысить производительность.

More information: Fan Liu et al, Lowering the operating temperature of protonic ceramic electrochemical cells to <450 °C, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01350-4. www.nature.com/articles/s41560-023-01350-4

Journal information: Nature Energy

© 2023 Science X Network

Источник: https://techxplore.com/news/2023-09-scalable-approach-fabricate-ultrathin-protonic.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter