ИСТИНА

Перспективным способом генерации электроэнергии в автономных системах является технология твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Преимуществами применения ТОТЭ являются высокая энергоэффективность и толерантность к использованию различных видов топлива. К сожалению, высокая рабочая температура функционирования устройств (800-1000 °С) накладывает серьезные ограничения на используемые материалы и обуславливает высокую стоимость технологии ТОТЭ, что, в конечном счете, препятствует её массовому применению. Для повышения экономической привлекательности энергосистем на основе ТОТЭ требуется их дальнейшее усовершенствование. В первую очередь, необходимо добиться снижения рабочих температур до среднетемпературного интервала 500-700 °С, что приведет к уменьшению скорости деградации функциональных материалов, решению проблем, связанных с герметизацией, а также обеспечит возможность применения более дешевых коммутационных материалов на основе нержавеющих сталей. Эти факторы позволят увеличить срок службы устройств и повысят их экономическую привлекательность на рынке альтернативных источников энергии. Создание ТОТЭ, функционирующих в области средних температур, требует решения ряда материаловедческих задач, одной из которых является разработка новых методов получения газоплотного тонкопленочного слоя твердого электролита. Уменьшение толщины твердого электролита минимизирует величину его омического сопротивления и позволяет обеспечить работу ТОТЭ в интервале средних температур без потерь мощностных характеристик. Одним из перспективных подходов к формированию тонкопленочных покрытий является метод центрифугирования (spin-coating). В настоящей работе данный подход был использован для изготовления газоплотного тонкопленочного покрытия на основе твердого электролита Zr0.84Y0.16O1.92 (YSZ) на пористых подложках из анодного оксида алюминия (АОА), отличительной особенностью которых является наличие сонаправленных цилиндрических каналов и малая шероховатость поверхности. Пористые плёнки АОА получали анодным окислением алюминиевой фольги (99.99%, толщина 0.1 мм) в 0.1 М ортофосфорной кислоте при температуре ~ 1 °С и постоянном перемешивании. Напряжение анодирования увеличивали со скоростью 1 В/с до 195 В и затем выдерживали постоянным. Анодирование прекращали, когда плотность заряда анодирования достигала величины ~ 145 Кл/см2, что соответствовало толщине оксидной плёнки ~ 100 мкм. Затем образцы промывали деионизованной водой и высушивали на воздухе. Непрореагировавший алюминий селективно растворяли в смеси брома и метанола, взятых в объемном отношении 1 : 10, при комнатной температуре. Для получения АОА со сквозными каналами барьерный слой удаляли путём химического травления в 5 вес. % H3PO4 при температуре 60 °С в течение 20 минут. По данным растровой электронной микроскопии (РЭМ), пористость полученных подложек из анодного оксида алюминия составляет около 25%, среднее расстояние между порами равно 490 нм, диаметр пор – 250 нм. Поры имеют цилиндрическую форму и направлены перпендикулярно плоскости пленки. Для использования мембран АОА в технологии ТОТЭ они были отожжены с использованием многоступенчатой программы с выдержкой при 1400 °С в течение 4 часов на заключительной стадии [1]. По данным РЭМ и рентгенофазового анализа после высокотемпературной обработки пористая структура сохраняется, а исходно аморфный анодный оксид алюминия полностью кристаллизуется в фазу α-Al2O3. Для получения тонких слоев YSZ на подложках из анодного оксида алюминия использовали суспензию на основе коммерческого порошка YSZ (Sofсman, Китай) со средним размером частиц ~ 100 нм, предварительно гомогенизированную с помощью ультразвуковой обработки в течение 2 часов. Нанесение проводили по многоступенчатой программе центрифугирования: 500 об./мин в течение 5 с, 3000 об./мин в течение 60 с. Затем образец высушивали в вакууме в течение 10 минут при комнатной температуре. После нанесения суспензии проводили многоступенчатый обжиг при максимальной температуре 1400 °С в течение 5 часов. РЭМ изображение скола полученного образца приведено на рис. 1. Толщина покрытия YSZ на поверхности пористой подложки α-Al2O3 после обжига составила 2.63 ± 0.13 мкм. Покрытие является сплошным, не содержит сквозных пор и характеризуется высокой адгезией к поверхности АОА. Полученные тонкопленочные покрытия YSZ на поверхности пористых подложек из оксида алюминия представляют практический интерес с точки зрения создания на их основе миниатюризированных планарных среднетемпературных ТОТЭ с тонкопленочным твердым электролитом.