东京工业大学研究团队发现用于下一代燃料电池的新型质子导体

转载自公众平台：ScienceAI

为了可持续发展，最终取代煤炭和石油等传统能源，世界各地的科学家都在努力开发环保技术，以安全、高效地生产能源。

自 20 世纪 60 年代以来，燃料电池作为直接从电化学反应产生电力的有前途的方法一直在稳步获得关注。

然而，基于固体氧化物的典型燃料电池有一个明显的缺点，即它们在高温下运行，通常超过 700°C。

质子陶瓷燃料电池（Protonic Ceramic Fuel Cell，PCFC）是一种以质子导体为电解质的固体氧化物燃料电池，具有环境效应好、能量转化效率高、燃料适应性强以及温度依赖性低等优点，在大型集中供电、分布式发电、家用热电联供系统、以及船舶车辆动力电源等领域有着广阔的应用前景。

PCFC 使用特殊陶瓷来传导质子而不是氧化物阴离子。由于 300 至 600°C 的低得多的工作温度，与大多数其他燃料电池相比，PCFC 可以以更低的成本确保稳定的能源供应。不幸的是，目前只有少数具有合理性能的质子传导材料是已知的，这正在减缓该领域的进展。

为了应对这一挑战，包括日本东京工业大学的 Masatomo Yashima 教授在内的一组研究人员一直在寻找 PCFC 的优良质子导体候选者。最新研究发现 Ba2LuAlO5 作为一种有前途的质子导体的发现，为 PCFC 描绘了光明的未来。

该团队报告了 Ba2LuAlO5 的非凡特性，这是一种新的六方钙钛矿相关氧化物，为质子传导提供了有趣的见解。实验表明，即使没有任何额外的化学修饰，这种新型材料也具有非常高的质子传导率，分子动力学模拟揭示了潜在的原因。这些新见解可能为更安全、更高效的能源技术铺平道路。

该研究以《High proton conduction in Ba2LuAlO5 with highly oxygen-deficient layers》为题，发布在《Communications Materials》上。

Yashima 及其同事在专注于寻找具有大量内在氧空位的化合物时发现了 Ba2LuAlO5。这是受先前研究结果的推动，这些研究强调了这些空位在质子传导中的重要性。对 Ba2LuAlO5 样品的实验表明，这种材料在低温下具有高质子电导率——其电导率在 487°C 时为 10^-2 S cm^-1，在 232°C 时为 1.5×10^-3 S cm^-1——甚至 无需额外的化学改进，例如掺杂。

后来，该团队试图找出这一特性的根本原因。通过分子动力学模拟和中子衍射测量，他们了解了 Ba2LuAlO5 的两个重要特性。首先，与其他类似材料相比，这种氧化物吸收了大量的水 (H2O)，形成 Ba2LuAlO5*xH2O（x=0.50）。这种大量吸水发生在 AlO4 四面体的两个相对层内，这是由于六方密排 h’ BaO 层中存在大量本征氧空位而成为可能。反过来，氧化物较高的水含量通过各种机制增加其质子传导性，例如更高的质子浓度和增强的质子跳跃。

第二个重要特性与质子如何通过 Ba2LuAlO5 移动有关。模拟显示质子主要沿着 LuO6 层的界面扩散，形成立方密排 c BaO3 层，而不是通过 AlO4 层。正如 Yashima 解释的那样，这些信息对于寻找其他质子传导材料可能至关重要，「我们的工作提供了新的设计指南，为未来开发更高性能的质子导体开辟了未开发的途径。」

研究人员希望在接下来的研究中找到其他基于 Ba2LuAlO5 的质子传导材料。Yashima 教授评论说：「通过改变 Ba2LuAlO5 的化学成分，可以预期质子传导率会进一步提高，例如，与钙钛矿相关的氧化物 Ba2LuAlO5 也可能表现出高传导性，因为它的结构与 Ba2LuAlO5 的结构非常相似。」