Қатты оксидті отын элементтеріне арналған анодтық  материалдар: қысқаша шолу

С. Опахай; К.А. Кутербеков; К.Ж. Бекмырза; А.М. Кабышев; М.М. Кубенова; Ж.С. Зейнулла; Н.К. Айдарбеков

doi:10.18321/cpc23(3)335-343

Авторлар

С. Опахай Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
К.А. Кутербеков Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
К.Ж. Бекмырза Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
А.М. Кабышев Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
М.М. Кубенова Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
Ж.С. Зейнулла Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан
Н.К. Айдарбеков Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев к., 2, Астана, Қазақстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(3)335-343

Кілт сөздер:

қатты оксидті отын элементтері, анод қабатының материалдары, перовскит құрылымдары, Ni-YSZ композиттері, электркаталитикалық белсенділік, кокстауға төзімділік, магнетрондық бүрку

Аңдатпа

Бұл шолу қатты оксидті отын элементтеріне (ҚООЭ) арналған анодтық материалдардың құрылымы, қасиеттері және дамуына бағытталған. Шолуда дәстүрлі анодтар ретінде қолданылатын никель – иттрий тотығымен тұрақтандырылған цирконий диоксиді (Ni-YSZ) композиттерімен қатар, перовскитті және қос перовскитті құрылымдар, титан мен ванадий негізіндегі керамикалық материалдар сияқты озық баламалар қарастырылды. Әртүрлі синтез әдістері – золь-гель, қатты фазалық реакция, инфильтрация, магнетрондық бүрку – жаңа анодтық материалдарды әзірлеу жолында маңызды рөл атқаратыны толық баяндалды. Сонымен қатар, анод құрылымына өтпелі металдарды (мысалы, Mo, Ni, Co, Pd) енгізу арқылы легирлеудің материалдың электрөткізгіштігі мен каталитикалық белсенділігін едәуір арттыратыны көрсетілді. Мақалада сондай-ақ анодтық қабаттардың микроқұрылымдық сипаттамалары мен үштік фазалық шекаралар аймағы (ҮФШ) арқылы электрхимиялық белсенділіктің артуына байланысты тұжырымдар жасалады. Нанобөлшектермен модификациялау және жұқа қабатты самариймен легирленген церий диоксиді (SDC) немесе гадолиниймен легирленген церий диоксиді (GDC) жаппаларымен қаптау арқылы анод бетінің белсенділігін күшейту және көміртектің шөгуін болдырмау жолдары бойынша әлемдік озық зерттеу жұмыстар талданып қарастырылды. Әдеби деректер мен олардың салыстырмалы талдау нәтижелері әртүрлі температура мен отын атмосфераларында тиімді жұмыс істей алатын, жоғары өнімді және ұзақмерзімді тұрақты анодтық материалдарды жобалау мен әзірлеуге негіз бола алатыны айтылды. Шолуда талданған зерттеу жұмыстары болашақта ҚООЭ технологияларын кең ауқымда қолдануға және олардың сенімділігін арттыруға зор ықпал етуі мүмкін.

Әдебиеттер тізімі

(1) M.A. Abdelkareem, K. Elsaid, T. Wilberforce, et al. Environmental aspects of fuel cells: A review. Sci. Total Environ. 752 (2021) 141803. Crossref

(2) N. Sazali, W.N. Wan Salleh, A.S. Jamaludin, et al. New perspectives on fuel cell technology: A brief review. Membranes 10 (2020) 99. Crossref

(3) Y. Luo, Y. Wu, B. Li, et al. Development and application of fuel cells in the automobile industry. J. Energy Storage 42 (2021) 103124. Crossref

(4) M. Singh, D. Zappa, E. Comini. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges. Int. J. Hydrog. Energy 46 (2021) 27643–27674. Crossref

(5) Q. Xu, Z. Guo, L. Xia, et al. A comprehensive review of solid oxide fuel cells operating on various promising alternative fuels. Energy Convers. Manag. 253 (2022) 115175. Crossref

(6) S. Dwivedi. Solid oxide fuel cell: Materials for anode, cathode and electrolyte. Int. J. Hydrog. Energy 45 (2020) 23988–24013. Crossref

(7) S. Hussain, L. Yangping. Review of solid oxide fuel cell materials: Cathode, anode, and electrolyte. Energy Trans. 4 (2020) 113–126. Crossref

(8) Y. Liu, Z. Shao, T. Mori. Development of nickel based cermet anode materials in solid oxide fuel cells – Now and future. Mater. Rep. Energy 1 (2021) 100003. Crossref

(9) L.A. Omeiza, A. Kabyshev, K. Bekmyrza, et al. Constraints in sustainable electrode materials development for solid oxide fuel cell: A brief review. Mater. Sci. Energy Technol. 8 (2024) 32–43. Crossref

(10) H.A. Shabri, M.H.D. Othman, M.A. Mohamed, et al. Recent progress in metal-ceramic anode of solid oxide fuel cell for direct hydrocarbon fuel utilization: A review. Fuel Process. Technol. 212 (2021) 106626. Crossref

(11) N. Ahmed, S. Devi, M.A. Dar, et al. Anode material for solid oxide fuel cell: A review. Indian J. Phys. 98 (2024) 877–888. Crossref

(12) M.B. Hanif, M. Motola, S. Rauf, et al. Recent advancements, doping strategies and the future perspective of perovskite-based solid oxide fuel cells for energy conversion. Chem. Eng. J. 428 (2022) 132603. Crossref

(13) H.R. Chalaki, A. Babaei, A. Ataie, et al. LaFe₀.₆Co₀.₄O₃ promoted LSCM/YSZ anode for direct utilization of methanol in solid oxide fuel cells. Ionics 26 (2020) 1011–1018. Crossref

(14) H. Li, W. Wang, J. Lin, et al. Improved cell performance and sulphur tolerance using A-site substituted Sr₂Fe₁.₄Ni₀.₁Mo₀.₅O₆–δ anodes for solid-oxide fuel cells. Clean Energy 7 (2023) 70–83. Crossref

(15) W. Cai, M. Zhou, D. Cao, et al. Ni-doped A-site-deficient La₀.₇Sr₀.₃Cr₀.₅Mn₀.₅O₃–δ perovskite as anode of direct carbon solid oxide fuel cells. Int. J. Hydrog. Energy 45 (2020) 21873–21880. Crossref

(16) S. Ryu, J. Hwang, W. Jeong, et al. A self-crystallized nanofibrous Ni-GDC anode by magnetron sputtering for low-temperature solid oxide fuel cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 15 (2023) 11845–11852. Crossref

(17) F. Zaravelis, L. Sygellou, A. Souvalioti, et al. Transition metals in Ni/GDC for the reversible solid oxide cell operation: Optimization of the Mo–Au–Ni synergy and further enhancement via substitution of Mo with Fe. Electrochim. Acta 453 (2023) 142343. Crossref

(18) T. Wei, P. Qiu, J. Yang, et al. High-performance direct carbon dioxide–methane solid oxide fuel cell with a structure-engineered double-layer anode. J. Power Sources 484 (2021) 229199. Crossref

(19) Y. Meng, M. Akbar, J. Gao, et al. Superionic conduction of self-assembled heterostructural LSCrF–CeO₂ electrolyte for solid oxide fuel cell at 375–550 °C. Appl. Surf. Sci. 645 (2024) 158832. Crossref

(20) B. Tu, X. Su, Y. Yin, et al. Methane conversion reactions over LaNi–YSZ and Ni–YSZ anodes of solid oxide fuel cell. Fuel 278 (2020) 118273. Crossref

(21) M. Li, X. Li, Z. Chen, et al. Hydrogen enriched natural gas-fueled solid oxide fuel cells supported by Ni–Cu co-doping CeO₂–δ catalyst-modified finger-like pore anode. Fuel 381 (2025) 133428. Crossref

(22) X. Zhou, N. Yan, K.T. Chuang, et al. Progress in La-doped SrTiO₃ (LST)-based anode materials for solid oxide fuel cells. RSC Adv. 4 (2020) 118–131. Crossref

(23) Q. Ma, F. Tietz, D. Sebold, et al. Y-substituted SrTiO₃–YSZ composites as anode materials for solid oxide fuel cells: Interaction between SYT and YSZ. J. Power Sources 195 (2021) 1920–1925. Crossref

(24) M.J. Escudero, J.T.S. Irvine, L. Daza. Development of anode material based on La-substituted SrTiO₃ perovskites doped with manganese and/or gallium for SOFC. J. Power Sources 192 (2020) 43–50. Crossref

(25) U. Tariq, M.Z. Khan, O. Gohar, et al. Bridging the gap between fundamentals and efficient devices: Advances in proton-conducting oxides for low-temperature solid oxide fuel cells. J. Power Sources 613 (2024) 234910. Crossref

(26) J. Macías, J.R. Frade, A.A. Yaremchenko. SrTiO₃–SrVO₃ ceramics for solid oxide fuel cell anodes: A route from oxidized precursors. Materials 16 (2023) 7638. Crossref