В условиях растущего мирового спроса на энергию и климатического кризиса человечество активно ищет замену ископаемому топливу. Одним из самых перспективных направлений считается водородная энергетика, и недавнее открытие японских ученых может значительно ускорить ее развитие.
Ключевой технологией в этой сфере являются твердооксидные топливные элементы (SOFC). В отличие от аккумуляторов, они не хранят энергию, а непрерывно генерируют электричество из топлива, например, водорода, выделяя в качестве побочного продукта лишь воду. Несмотря на высокую эффективность и долговечность, у таких элементов был существенный недостаток: для работы им требовались экстремально высокие температуры, около 700–800°C. Это делало их производство и эксплуатацию очень дорогими из-за необходимости использовать жаропрочные материалы.
Исследователи из японского Университета Кюсю совершили прорыв, о котором сообщили в престижном научном журнале Nature Materials. Им удалось создать новый тип топливного элемента, эффективно работающий при температуре всего 300°C. Такое снижение требований открывает путь к созданию недорогих и компактных устройств, приближая эру доступной и чистой водородной энергии.
Сердцем топливного элемента является электролит — керамический слой, через который движутся заряженные частицы водорода (протоны), создавая электрический ток. Главной задачей ученых было заставить протоны двигаться достаточно быстро при «теплых», а не раскаленных условиях. «Снижение рабочей температуры до 300°C позволило бы радикально сократить затраты на материалы и открыть двери для систем потребительского уровня, — объяснил руководитель исследования, профессор Йосихиро Ямадзаки. — Однако до сих пор не было известно керамики, способной проводить протоны с необходимой скоростью в таких условиях. Мы решили взломать этот барьер».
Команда обнаружила, что определенные соединения, обогащенные скандием, создают внутри материала своего рода «скоростное шоссе» для протонов. Эта структура позволяет частицам двигаться почти без препятствий, что раньше считалось невозможным при высокой концентрации добавок. Ученым удалось опровергнуть старый научный компромисс, согласно которому увеличение числа протонов неизбежно замедляло их движение. Новая разработка показала проводимость, сравнимую с показателями традиционных элементов, работающих при 600–700°C.
Открытие имеет значение далеко за пределами топливных элементов. По словам профессора Ямадзаки, этот принцип может быть применен и в других технологиях, таких как установки для производства водорода, водородные насосы и реакторы, преобразующие углекислый газ в полезные химические вещества. «Наша работа превращает давний научный парадокс в практическое решение, делая доступную водородную энергию ближе к повседневной жизни», — заключил он.