Новый проводник протонов для следующего

Apr 28, 2023

Ученые из Токийского технологического института обнаружили Ba2LuAlO5 в качестве многообещающего проводника протонов для протонных керамических топливных элементов. Оксид обладает протонной проводимостью 10-2 См-см-1 при 487 °С и 1,5 × 10-3 См-см-1 при 232 °С, высоким коэффициентом диффузии и высокой химической стабильностью без химического легирования. Эти новые идеи могут проложить путь к более безопасным и эффективным энергетическим технологиям.

Статья в открытом доступе о работе опубликована в журнале Communication Materials.

Ba2LuAlO5 представляет собой гексагональный оксид, родственный перовскиту, с гексагональными плотноупакованными слоями h' с высоким содержанием кислорода, что обеспечивает поглощение большого количества воды x = 0,50 в Ba2LuAlO5·x H2O. Моделирование молекулярной динамики ab initio и дифракция нейтронов показывают гидратацию в слое h' и миграцию протонов в основном вокруг кубических плотноупакованных слоев c, существующих на границе раздела октаэдрических слоев LuO6. Эти результаты показывают, что высокая протонная проводимость, обеспечиваемая слоями с высоким содержанием кислорода и кубической плотной упаковкой, является многообещающей стратегией для разработки высокопроизводительных протонных проводников.

Типичные топливные элементы на основе твердых оксидов имеют существенный недостаток: они работают при высоких температурах, обычно выше 700 °C. Вот почему многие ученые вместо этого сосредоточились на протонных керамических топливных элементах (PCFC). В этих ячейках используется специальная керамика, которая проводит протоны (H+) вместо оксидных анионов (O2-). Благодаря гораздо более низкой рабочей температуре в диапазоне от 300 до 600 °C PCFC могут обеспечить стабильное энергоснабжение при меньших затратах по сравнению с большинством других топливных элементов. К сожалению, в настоящее время известно лишь несколько протонпроводящих материалов с приемлемыми характеристиками, что замедляет прогресс в этой области.

Чтобы решить эту проблему, группа исследователей, в том числе профессор Масатомо Яшима из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в Японии, искала хороших кандидатов в проводники протонов для PCFC.

Профессор Яшима и его коллеги открыли Ba2LuAlO5, сосредоточившись на поиске соединений с большим количеством собственных кислородных вакансий. Это было мотивировано результатами предыдущих исследований, подчеркивающих важность этих вакансий в протонной проводимости.

С помощью молекулярно-динамического моделирования и нейтронографических измерений они узнали две важные характеристики Ba2LuAlO5. Во-первых, этот оксид поглощает много воды (H2O), по сравнению с другими аналогичными материалами, с образованием Ba2LuAlO5,0,5H2O. Такое большое поглощение воды, которое происходит в двух противоположных слоях тетраэдров AlO4, становится возможным благодаря большому количеству собственных кислородных вакансий в гексагональных плотноупакованных слоях h´BaO. В свою очередь, более высокое содержание воды в оксиде увеличивает его протонную проводимость посредством различных механизмов, таких как более высокая концентрация протонов и усиление прыжков протонов.

Вторая важная характеристика связана с тем, как протоны движутся через Ba2LuAlO5. Моделирование показало, что протоны диффундируют преимущественно вдоль границ раздела слоев LuO6, образующих кубические плотноупакованные слои c-BaO3, а не через слои AlO4. Эта информация может иметь решающее значение при поиске других протонпроводящих материалов.

Исследователи рассчитывают найти и другие протонпроводящие материалы на основе Ba2LuAlO5 в предстоящих исследованиях.

Модифицируя химический состав Ba2LuAlO5, можно ожидать дальнейшего улучшения протонной проводимости. Например, родственный перовскиту оксид Ba2LuAlO5 также может обладать высокой проводимостью, поскольку его структура очень похожа на структуру Ba2LuAlO5.

Ресурсы

Рихо Морикава, Тайто Мураками, Котаро Фуджи, Максим Авдеев, Йоичи Икеда, Юсуке Намбу и Масатомо Яшима (2023) «Высокая протонная проводимость в Ba2LuAlO5 со слоями с высоким содержанием кислорода» Информационные материалы doi: 10.1038/s43246-023-00364-5

Опубликовано 7 июня 2023 г. в Топливные элементы, Обзор рынка, Материалы | Постоянная ссылка | Комментарии (0)