Исследователи из Центра наноразмерных технологий при Национальном институте стандартов и технологий (NIST) и Аризонского университета (оба — США) использовали трансмиссионную электронную микроскопию с режимом естественной среды (ETEM), чтобы объяснить роль никелевых наночастиц в понижении температуры, необходимой для нормального функционирования допированных празеодимом церий-оксидных анодов (PDC) в твердоокисных топливных элементах(SOFCs).

Названные топливные элементы считаются многообещающей технологией конвертирования любого химического топлива в электричество без использования дорогих металлических катализаторов. А аноды на базе PDС являются потенциальной заменой обычно использующихся анодов на основе допированного никелем и иттрием диоксида циркония, работающих при температуре выше 1000 ˚C, что, к сожалению, вызывает их деградацию.

Микрофотография PDC, допированного никелевыми наночастицами (слева); образование зон «восстановления» и перенос атомарного водорода с никеля на PDC для взаимодействия с ионами кислорода (илл. Catalysis Today).

Объектом изучения стали аноды на базе PDC, допированные никелем. Они способны работать при относительно низких температурах 500–700 ˚C, что делает их гораздо стабильнее. Применяя ETEM, исследователи смогли визуализировать структурные и химические наноразмерные изменения, происходящие на разделе фаз между никелем и PDC, как функцию температуры в атмосфере сухого водорода при 130 Па (именно такое давление водорода характерно для SOFC).

На основании спектра энергетических потерь учёные показали, что введение никелевых наночастиц снижало температуру, необходимую для восстановления PDC, в 20-нанометровой зоне «восстановления» вокруг интерфейса между двумя материалами. Формирование и размер таких зон «восстановления» находятся в соответствии с двумя возможными механизмами, каждый из которых включает перенос атомарного водорода с никеля на PDC. А далее уже восстановленный церий в зоне «восстановления» катализирует реакцию между ионами кислорода и атомарным водородом.

В статье, опубликованной в журнале Catalysis Today, авторы подробно рассматривают оба возможных механизма, но главный вывод заключается в том, что вне зависимости от конкретного механизма понимание и контроль того, как никелевые наночастицы катализируют эти низкотемпературные реакции, позволит в конечном итоге разработать SOFC, которые были бы одновременно эффективными и долгоживущими.