Водородная энергетика станет ближе, когда твёрдые электролиты на основе перовскитов станут эффективнее, и в этом им поможет металл иттрий.

В будущем водород может прийти на смену углеводородному топливу. Может, конечно, и не прийти, но определённые шансы у него всё-таки есть. В отличие от нефти и газа, извлекаемые запасы которых рано или поздно закончатся, водород можно будет получать непосредственно из воды. К тому же при его сжигании не образуется ничего, кроме всё той же воды, что будет хорошо для экологии нашей планеты. Воды на Земле много, это фактически неисчерпаемый ресурс. Отдельный вопрос, откуда брать необходимую энергию для получения водорода, но будем надеяться, что человечество освоит термоядерный синтез или научится делать хорошие солнечные батареи. Однако, помимо поиска эффективных способов получения, транспортировки и хранения водорода, есть ещё много вопросов к тому, как эффективно его использовать.

Автомобили на водородном топливе существуют уже давно, но до сих пор их стоимость слишком высока для массового использования. Фото: Zero Emission Resource Organisation/Wikimedia Commons
Открыть в полном размере

Дело в том, что просто сжигать водород, как мы это делаем с газом, чтобы потом выделившееся тепло использовать для раскручивания каких-нибудь генераторов, не очень выгодно. Поэтому в водородной энергетике уже давно используются топливные элементы — это устройства, которые получают электрическую энергию непосредственно из химической реакции окисления водорода, без использования турбин и генераторов. Фактически водородный топливный элемент представляет собой «вечную» химическую батарейку, которая питается газами: водородом и кислородом.

На первый взгляд, топливный элемент устроен просто: это два электрода, на которых происходят процессы окисления водорода и восстановления кислорода. Чтобы разделить эти процессы в пространстве, т. е. чтобы отделить «плюс» батарейки от её «минуса», нужна какая-то мембрана, при том не простая, а полупроницаемая. Она должна пропускать один тип частиц, например, ионы водорода, и не пропускать всё остальное, что образуется и реагирует на электродах, например, газообразный кислород. Несмотря на то, что мембрана обычно твёрдая, её ещё называют электролитом, потому что сквозь неё, как через жидкость, могут путешествовать определённые ионы. И вот в материале мембраны и зарыта собака.

Материал электролита должен хорошо проводить определённый тип ионов, быть устойчивым и сохранять свои свойства при разных температурах, быть не очень дорогим и ещё с десяток различных «должен». Поэтому поисками хороших материалов для топливных элементов заняты множество лабораторий по всему миру. Чем успешнее будет «охота» учёных за новыми материалами, в том числе для твёрдых электролитов, тем быстрее мы приблизим возможность «водородной революции» в энергетике.

Как пишут в International Journal of Hydrogen Energy исследователи из Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, им удалось синтезировать новый энергоэффективный твёрдый электролит с протонной проводимостью на основе перовскитного соединения индия, бария и лантана с кислородом. И главную роль в этой химической саге «трое в перовските, не считая кислорода» сыграл ещё один атом — иттрий.

Атомы металла иттрия занимают больше места в структуре такого твёрдого электролита, чем атомы индия, поэтому, попав не без помощи исследователей в его структуру, они как бы «раздвигают» её. Это позволяет электролиту, оставаясь стабильным, пропускать через себя больше протонов, причём делать это при меньшей температуре, что тоже благотворно сказывается на эффективности топливного элемента. А именно от эффективности и экономичности зависит путёвка топливных элементов в жизнь за пределы лабораторий.