Identifikācijas numurs: lzp-2021/1-0203
Tips: Latvijas Zinātnes padomes fundamentālo un lietišķo pētījumu projekts
Projekta ilgums: 2022 - 2024
Projekta vadītājs: Dr.rer.nat. Deniss Grjaznovs LU CFI
Kopējais finansējums: 300 KEUR
Projekta kopsavilkums:
Klimata pārmaiņas ir ārkārtīgi svarīga mūsu planētas problēma. Viens no risinājumiem, lai minimizētu tās ietekmi, balstās uz efektīvu zaļo tehnoloģiju attīstību. Cieto oksīdu elektrolīzes šūnas (solid oxide electrolysis cells – SOEC) izmanto, lai pārvērstu CO2 lietderīgos, ķīmiski vērtīgos materiālos un citos produktos, izmantojot elektroķīmiskos procesus. Turklāt SOEC var tikt izmantotas vai nu oksīdu jonu vadošā, vai arī protonus vadošā (PCEC) režīmā. Pēdējais režīms ir īpaši interesants tā augstās protonu vadītspējas dēļ elektrolīta materiālos, kas atļauj ko-elektrolīzi un vidējus temperatūras režīmus. Pašlaik lielākais izaicinājums SOEC tehnoloģijām ir veiktspējas samazināšanās augstās temperatūrās un izmaksas. Pieteiktā teorētiskā projekta galvenais mērķis ir paredzēt jaunus PCEC anodu materiālus, balstoties uz jauktiem jonu-elektronu caurumu vadošiem oksīdiem, vidējā (300-600oC) temperatūru režīmā. Tādēļ mēs aplūkojam Rudlesdena-Popera fāzes (Sr,La)n+1FenO3n+1 un fāžu secības n izmaiņas kā efektīvus PCEC anodu materiālus. Tiks aplūkotas sekojošas problēmas: (i) kristāla struktūras saistība ar tā īpašībām – augsta protonu un p-veida elektronu vadītspēja; (ii) protonu inkorporācijas mehānismi skābju-bāzes vai redoks reakcijās; (iii) ķīmiskās un termiskās izplešanās jautājumi, kas saistīti ar ūdens inkorporāciju; (iv) evolucionāro algoritmu izstrāde un pielietojumi precīzām defektu struktūrām blīvuma funkcionāļa teorijas aprēķinos.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 2022.-2023. G.)
Pirmo reizi detalizēti tika nodemonstrēts un izskaidrots Jana-Tellera efekts Sr2FeO4 materiālā. Tas paveikts, kombinējot augstas precizitātes aprēķinus ar moderniem hibrīda blīvuma funkcionāļiem un striktu grupu teorijas analīzi. Iegūtie rezultāti palīdz izskaidrot šī materiāla magnētisko struktūru un citus eksperimentus un ievērojami uzlabo svarīgo defektu veidošanās enerģijas novērtējumu no DFT aprēķiniem. Rezultāti publicēti Scientific Report 13, 16446 (2023) žurnālā.
https://doi.org/10.1038/s41598-023-43381-7
Viena no projekta aktivitātēm saistīta ar dažādu alternatīvu materiālu salīdzināšanu tehnoloģiski svarīgiem pielietojumiem. Tāpēc protonu migrācija tika pētīta BaFeO3-d, izmantojot DFT+U aprēķinus. Šajā gadījumā protons saistās ar skābekli, veidojot stipru kovalento O-H saiti, un tiek interpretēts kā hidroksila grupa parastā skābekļa pozīcijā. Papildus migrāciju barjeru aprēķiniem tika noteikti un rūpīgi izanalizēti būtiskie parametri, kas palīdz izprast protonu migrācijas mehānismu. Mēs atradām migrācijas barjeras augstuma saistību ar sākotnējo O-O attālumu un O-H saites garumu. Rezultāti publicēti Journal of Materials Chemistry A 11, 6336-6348 (2023) žurnālā.
https://doi.org/10.1039/D2TA08664F