nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-3-228-232nuc-928Research ArticleСтатьиРАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТА YSZ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВDEVELOPMENT AND FABRICATION OF A YSZ ELECTROLYTE BY MAGNETRON SPUTTERING FOR INTERMEDIATE-TEMPERATURE SOLID OXIDE FUEL CELLSОпахайС.OpakhaiS.

Опахай Серікжан.

Астана

Serikzhan Opakhai.

Astana

serikzhan.opakhai07@gmail.comКутербековК. А.KuterbekovK. A.

Кутербеков Кайрат A.

Астана

Kairat A. Kuterbekov.

Astana

kkuterbekov@gmail.comБекмырзаК. Ж.BekmyrzaK. Zh.

Бекмырза Кенжебатыр Ж.

Астана

Kenzhebatyr Zh. Bekmyrza.

Astana

kbekmyrza@yandex.kzКабышевА. М.KabyshevA. M.

Кабышев Асет M.

Астана

Asset M. Kabyshev.

Astana

assetenu@gmail.comКубеноваМ. М.KubenovaM. M.

Кубенова Маржан M.

Астана

Marzhan M. Kubenova.

Astana

kubenova.m@yandex.kzЗейнуллаЖ. С.ZeinullaZh. S.

Зейнулла Жасулан С.

Астана

Zhasulan S. Zeinulla.

Astana

zeizhaser@mail.ruАйдарбековН. К.AidarbekovN. K.

Айдарбеков Нурсултан К.

Астана

Nursultan K. Aidarbekov.

Astana

nursultan02_22.10.92@mail.ruЕвразийский национальный университет им. Л.Н. ГумилеваКазахстанEurasian National University named after L.N. GumilyovKazakhstan20252210202503228232Copyright © Опахай С., Кутербеков К.А., Бекмырза К.Ж., Кабышев А.М., Кубенова М.М., Зейнулла Ж.С., Айдарбеков Н.К., 20252025Опахай С., Кутербеков К.А., Бекмырза К.Ж., Кабышев А.М., Кубенова М.М., Зейнулла Ж.С., Айдарбеков Н.К.Opakhai S., Kuterbekov K.A., Bekmyrza K.Z., Kabyshev A.M., Kubenova M.M., Zeinulla Z.S., Aidarbekov N.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/928

В работе представлена разработка технологии формирования тонкопленочного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония (YSZ) методом реактивного магнетронного распыления для промежуточно-температурных твердооксидных топливных элементов (IT-SOFC). Полученные покрытия исследованы с использованием электронной микроскопии (SEM), рентгенофазового анализа (XRD), вольт-амперной характеристики (ВАХ) и электрохимической импедансной спектроскопии (EIS). Показано, что сформированные пленки YSZ обладают плотной структурой, высокой адгезией к анодной подложке и кубической фазой с преобладанием ориентации (111). Размер кристаллитов составляет 10–12 нм. Экспериментальные ВАХ демонстрируют повышение пиковой мощности от ~0,2 Вт/см2 при 600 ℃ до ~1,1 Вт/см2 при 800 ℃, а результаты EIS показывают снижение суммарного сопротивления с 2,2 до 0,9 Ом·см2 в том же температурном диапазоне. Полученные данные подтверждают высокую ионную проводимость, термостабильность и герметичность тонкопленочного YSZ-электролита, что свидетельствует о его перспективности для применения в энергоэффективных IT-SOFC нового поколения.

This work presents the development of a technology for forming a thin-film electrolyte based on yttria-stabilized zirconia (YSZ) using reactive magnetron sputtering for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). The resulting coatings were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), current–voltage (I–V) measurements, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The fabricated YSZ films exhibited a dense structure, strong adhesion to the anode substrate, and a cubic phase with predominant (111) orientation. The crystallite size was found to be 10–12 nm. Experimental I–V curves showed an increase in peak power density from ~0.2 W/cm2 at 600 ℃ to ~1.1 W/cm2 at 800 ℃, while EIS results indicated a decrease in total resistance from 2.2 to 0.9 Ω·cm2 over the same temperature range. These results confirm the high ionic conductivity, thermal stability, and gas-tightness of the thin-film YSZ electrolyte, highlighting its potential for use in next-generation energy-efficient IT-SOFCs.

промежуточнотемпературный твердооксидный топливный элемент (IT-SOFC)YSZ электролитмагнетронное распылениетонкопленочные покрытияионная проводимостьэлектронно-пучковая обработкафазовый анализструктура электролитаэлектрохимические характеристикиintermediate-temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC)YSZ electrolytemagnetron sputteringthin-film coatingsionic conductivityelectron beam treatmentphase analysiselectrolyte structureelectrochemical propertiesИсследования выполнены при финансовой поддержке МНВО РК (BR21882359 «Развитие и применение наукоемких технологий производства, хранения, транспортировки водорода и электрогенерирующих устройств для высокоэффективного внедрения водородной энергетики в Казахстане»).The research was carried out with the financial support of the Ministry of Higher Education of the Republic of Kazakhstan (BR21882359 “Development and application of science-intensive technologies for the production, storage, transportation of hydrogen and power-generating devices for the highly efficient implementation of hydrogen energy in Kazakhstan”ReferencesLe P. A., Trung V. D., Nguyen P. L., Phung T. V. B., Natsuki J., Natsuki T. The current status of hydrogen energy: an overview // RSC Advances. – 2023. – Vol. 13, No. 40. – P. 28262–28287.Le P. A., Trung V. D., Nguyen P. L., Phung T. V. B., Natsuki J., Natsuki T. The current status of hydrogen energy: an overview // RSC Advances. – 2023. – Vol. 13, No. 40. – P. 28262–28287.Zou C., Li J., Zhang X., Jin X., Xiong B., Yu H., Pan S. Industrial status, technological progress, challenges, and prospects of hydrogen energy // Natural Gas Industry B. – 2022. – Vol. 9, No. 5. – P. 427–447.Zou C., Li J., Zhang X., Jin X., Xiong B., Yu H., Pan S. Industrial status, technological progress, challenges, and prospects of hydrogen energy // Natural Gas Industry B. – 2022. – Vol. 9, No. 5. – P. 427–447.Singh M., Zappa D., Comini E. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, No. 54. – P. 27643–27674.Singh M., Zappa D., Comini E. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, No. 54. – P. 27643–27674.Jaiswal N., Tanwar K., Suman R., Kumar D., Upadhyay S., Parkash O. A brief review on ceria based solid electrolytes for solid oxide fuel cells // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 781. – P. 984–1005.Jaiswal N., Tanwar K., Suman R., Kumar D., Upadhyay S., Parkash O. A brief review on ceria based solid electrolytes for solid oxide fuel cells // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 781. – P. 984–1005.Dwivedi S. Solid oxide fuel cell: Materials for anode, cathode and electrolyte // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, No. 44. – P. 23988–24013.Dwivedi S. Solid oxide fuel cell: Materials for anode, cathode and electrolyte // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, No. 44. – P. 23988–24013.Golkhatmi S. Z., Asghar M. I., Lund P. D. A review on solid oxide fuel cell durability: Latest progress, mechanisms, and study tools // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – Vol. 161. – P. 1–34.Golkhatmi S. Z., Asghar M. I., Lund P. D. A review on solid oxide fuel cell durability: Latest progress, mechanisms, and study tools // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – Vol. 161. – P. 1–34.Liang F., Yang J., Zhao Y., Zhou Y., Yan Z., He J., Han M. A review of thin film electrolytes fabricated by physical vapor deposition for solid oxide fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, No. 87. – P. 36926–36952.Liang F., Yang J., Zhao Y., Zhou Y., Yan Z., He J., Han M. A review of thin film electrolytes fabricated by physical vapor deposition for solid oxide fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, No. 87. – P. 36926–36952.Zakaria Z., Awang Mat Z., Abu Hassan S. H., Boon Kar Y. A review of solid oxide fuel cell component fabrication methods toward lowering temperature // International Journal of Energy Research. – 2020. – Vol. 44, No. 2. – P. 594–611.Zakaria Z., Awang Mat Z., Abu Hassan S. H., Boon Kar Y. A review of solid oxide fuel cell component fabrication methods toward lowering temperature // International Journal of Energy Research. – 2020. – Vol. 44, No. 2. – P. 594–611.Lee Y. H., Chang I., Cho G. Y., Park J., Yu W., Tanveer W. H., Cha S. W. Thin film solid oxide fuel cells operating below 600 °C: a review // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2018. – Vol. 5. – P. 441–453.Lee Y. H., Chang I., Cho G. Y., Park J., Yu W., Tanveer W. H., Cha S. W. Thin film solid oxide fuel cells operating below 600 °C: a review // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2018. – Vol. 5. – P. 441–453.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.