Nye høje protonledere med iboende iltmangel lag åbner en bæredygtig fremtid

I løbet af de sidste par år har brændselsceller er blevet et omdrejningspunkt for forskning inden for miljøvenlig teknologi på grund af deres overlegne evner til at lagre og producere vedvarende energi og rent brændstof. En typisk type brændselscelle, der vinder frem, er den protonledende brændselscelle, som primært er fremstillet af materialer, hvorigennem hydrogenioner (protoner:H ⁺ ), let kan bevæge sig. Protonledende materialer giver en række fordele i forhold til almindeligt anvendte brændselsceller, der omfatter oxid-ionledere til elektrolytter, såsom højere ledningsevne ved lave og mellemliggende temperaturer, længere levetid, og lavere omkostninger.

Imidlertid, kun et begrænset antal af sådanne materialer er kendt, og deres anvendelse til udvikling af brændselsceller er stort set forblevet på laboratorieskalaen. For virkelig at opnå en bæredygtig energiøkonomi, nye protonledere med høj ledningsevne skal opdages, der kan muliggøre en billig og effektiv opskalering af disse teknologier.

Forskere fra Tokyo Tech og ANSTO satte sig for at imødekomme dette behov, og i en nylig undersøgelse, identificeret et nyt protonledende materiale, der kan være repræsentant for en hel familie af protonledere.

Det pågældende materiale har den kemiske formel Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ og er klassificeret som et "sekskantet perovskit-relateret oxid." Prof Masatomo Yashima, der ledede undersøgelsen, forklarer:"Protonkonduktion i oxider sker typisk via hop af protoner mellem oxidioner. Derfor, krystalstrukturen og det lokale miljø omkring oxidioner har en enorm indflydelse på de mulige ledende veje. Dette forklarer, hvorfor der kun er rapporteret om høj protonkonduktivitet i et begrænset antal materialer. "

Prof Yashima og hans team bemærkede, at strukturen i Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ indeholder iltmangelige lag, og dets protonkonduktivitet er højere end repræsentative protonledere, som skabes ved kunstigt at indføre iltmangel i krystallstrukturer af visse materialer. De indså, at denne iboende iltmangel af Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ kunne give det en bemærkelsesværdig fordel i forhold til konventionelle protonledere, eliminere et stort problem i dem:deres ustabilitet og vanskeligheden ved at syntetisere sammensat homogene prøver.

De gennemførte en række eksperimenter for at belyse mekanismerne bag denne ejendom. Indledende undersøgelser viste, at protonkonduktiviteten af ​​Ba5Er2Al2ZrO13 er høj ved mellemliggende og lave temperaturer, der er nøglen til potentielle industrielle applikationer. Efter yderligere forsøg, det viste sig, at vandmolekyler (H2O) i luft kan opløses i de iltmangelige lag i krystallen, hvor iltet fra vandet adskilles fra brint for at producere mobil H+. Disse H+ "hopper derefter over oxidioner" i de iltmangelige lag, muliggør høj protonkonduktivitet.

Dette fænomen er ikke begrænset til dette særlige materiale. Teamet syntetiserede andre materialer med lignende strukturer og gennemførte indledende test af deres elektriske ledningsevne. De fandt sammenlignelige resultater med dem for Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . Assistent Dr. Taito Murakami, første forfatter til undersøgelsen, forklarer:"Vores resultater tyder på, at de iltmangelige lag i sekskantede perovskit-relaterede oxider kan være en generel strukturel blok, der giver høj protonkonduktivitet. Disse lag findes i et antal oxider udover Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . "

Denne opdagelse af en helt ny serie af iboende høje protonledende materialer, og mekanismen for deres protonkonduktivitet, kunne tage forskning på dette område til nye horisonter. Dr. James R. Hester fra ANSTO, der også deltog i undersøgelsen, bemærker:"Vores arbejde præsenterer en potentiel strategi for at designe overlegne protonledere baseret på de iltmangelige lag af nogle perovskit-relaterede oxider." Dette arbejde repræsenterer forhåbentlig et skridt mod en renere fremtid.