Инженеры из Университета Техаса в Сан-Антонио применили метод теплового шока и создали ультратонкие керамические нанокластеры с неупорядоченной структурой. Искусственный хаос на уровне атомов повысил проводимость ионов кислорода в 1 400 раз при температуре 400 °C, что решает главную проблему твердооксидных топливных элементов. Об этом сообщает «Хайтек» со ссылкой на исследование в журнале Science Advances.
Традиционные твердооксидные топливные элементы генерируют электричество напрямую из водорода без горения, а их эффективность превышает 60%. Однако устройства требуют экстремального нагрева выше 700 °C, что быстро разрушает материалы и требует дорогих компонентов. Если температура опускается ниже 400 °C, стандартные приборы перестают работать.
Чтобы обойти этот барьер, исследователи нагрели стандартную керамику до 1 300 °C, а затем резко охладили ее в жидком азоте при температуре –196 °C. Температурный удар разрушил жесткую кристаллическую решетку и превратил ее в хаотичные микроскопические кластеры толщиной всего 0,63 нанометра.
В обычных упорядоченных структурах пути атомов со временем блокируются из-за нагрузок. В новом хаотичном материале кислородные вакансии не соединяются друг с другом, а формируют динамическую сеть. Она работает как супермагистраль для свободного перемещения ионов.
В ходе тестов инженеры добавили всего 0,5% полученных нанокластеров в стандартный кобальтовый катод. Этот шаг в 3 раза увеличил пиковую выходную мощность устройства. Кроме того, обычные элементы теряют более 13% мощности за каждые 100 часов работы, а прототип с дефектными нанокластерами улучшил свою стабильность на 3,4% при непрерывном использовании.
Обложка: University of Texas at San Antonio
