Badania naukowe

W 1980 roku Takahashi i Iwahara odkryli zjawisko przewodnictwa protonowego w ceramicznych materiałach tlenkowych, co stworzyło nowe możliwości w projektowaniu różnego rodzaju urządzeń elektrochemicznych.

Materiałami tlenkowymi będącymi przewodnikami protonowymi są przede wszystkim związki o strukturze perowskitu o ogólnym wzorze ABO₃, gdzie w pozycji A występuje dwuwartościowy kation z grupy pierwiastków ziem alkalicznych (np. Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺), natomiast w położeniu B zazwyczaj jon Ce⁴⁺ lub Zr⁴⁺. Nazwa tej grupy związków pochodzi od minerału perowskitu CaTiO₃ (Rys.1), odkrytego w 1838 roku w górach Ural przez Gustava Rose i nazwanego na cześć rosyjskiego mineraloga L. A. Perowskiego.

Idealna struktura typu perowskitu jest regularna i tworzy ją niezbyt liczna grupa tlenków, w których kationem A jest stront lub bar, np. SrTiO₃, SrZrO₃ czy BaZrO₃. W idealnej strukturze oktaedry BO₆, połączone narożami, znajdują się w narożach sześciennej komórki elementarnej, natomiast kation A o liczbie koordynacyjnej 12 lokuje się w jej centrum. Spośród licznej grupy przewodników protonowych najwyższym przewodnictwem jonowym odznaczają się tlenki na bazie BaCeO_3-d, jednak z uwagi na ich niską stabilność chemiczną w wysokich temperaturach komercjalizacja tych materiałów w ogniwach paliwowych jest ograniczona. Porównując właściwości cyrkonianów o wzorze ogólnym AZr_1-xM_xO₃ (A= Ba, Sr, M= Y, Yb, Gd) z odpowiednimi ceranami ACe_1-xM_xO₃ można stwierdzić, że cyrkoniany oprócz bardzo dobrych właściwości mechanicznych odznaczają się dużo wyższą odpornością w obecności CO₂, H₂S czy H₂O, jednak wartość ich przewodności jonowej jest niższa. Z przeprowadzonych wielostronnych badań można wnioskować, że uzyskanie elektrolitów charakteryzujących się zarówno wysokim przewodnictwem protonowym, jak i dużą stabilnością chemiczną jest bardzo utrudnione.

Wysokotemperaturowe przewodniki protonowe HTPC (ang. high-temperature proton conductors) w ostatnich latach budzą coraz większe zainteresowanie jako potencjalne materiały elektrolitowe do zastosowania w przewodzących protonowo stałotlenkowych ogniwach paliwowych typu SOFC-H⁺ (ang. protonic solid oxide fuel cell). Ogniwa tego typu wykazują wyższą efektywność pracy, ponieważ w przypadku zastosowania elektrolitu ceramicznego przewodzącego protonowo zamiast elektrolitu tlenkowego, jak w konwencjonalnym ogniwie SOFC, wydzielanie wody następuje na katodzie, a nie na anodzie. Omawiany efekt jest korzystny z punktu widzenia braku rozcieńczania doprowadzanego do układu paliwa. Innym, często podejmowanym zagadnieniem jest możliwość zastosowania przewodzących protonowo membran do wyodrębnienia absolutnie czystego wodoru z mieszaniny gazów podczas przetwarzania paliw kopalnych oraz innych procesów naftowych i petrochemicznych. Okazuje się, że ceramiczne materiały z grupy perowskitu dobrze wytrzymują wysokie temperatury pracy, jednak ich zastosowanie do konstrukcji separatorów wodoru jest uzależnione od spełnienia istotnych wymogów. Przede wszystkim membrany muszą być gęste, pozbawione porowatości otwartej, wykazywać wysoką przepuszczalność wodoru, a także charakteryzować się niskimi kosztami materiałowymi oraz wytwarzania. Ponadto, istotnymi parametrami są długi czas życia podczas pracy w rzeczywistych warunkach oraz niskie zużycie energii.

Strona główna…