盖世汽车讯 据外媒报道，日本东京工业大学（Tokyo Tech）的研究人员发现，六方钙钛矿相关的Ba5R2Al2SnO13氧化物（R=稀土金属）是一种具有极高质子传导性和热稳定性的材料。
图片来源：东京工业大学
它们独特的晶体结构和大量的氧空位可实现完全水合和高质子扩散，使这些材料成为下一代质子陶瓷燃料电池电解质的理想选择，这些燃料电池可以在中温下运行而不会降解。这项研究代表了燃料电池技术的重大进步。
燃料电池通过将氢和氧结合起来产生电能，只产生水和热作为副产品，为清洁能源提供了一种有前途的解决方案。它们由阳极、阴极和电解质组成。氢气在阳极处被引入，在那里分裂成质子（H+）和电子。
电子产生电流，而质子通过电解质迁移到阴极，在那里与氧发生反应形成水。大多数燃料电池都是固体氧化物燃料电池（SOFC），它们使用氧化物离子导体作为电解质。然而，SOFC面临的一个主要挑战是所需的高工作温度，这会导致材料随着时间的推移而降解。
为了解决这个问题，研究人员正在探索使用质子传导陶瓷材料作为电解质的质子陶瓷燃料电池（PCFC）。这些燃料电池可以在200-500C的中等、更易于管理的温度下运行。然而，找到在这些中等温度下既具有高质子传导性又具有化学稳定性的合适材料仍然是一个挑战。
在期刊《American Chemical Society》上发表的一项研究中，由东京工业大学的Masatomo Yashima教授领导的研究人员与东北大学的研究人员合作取得了重大突破。
他们发现化学性质稳定的六方钙钛矿相关氧化物Ba5R2Al2SnO13（其中R代表稀土金属Gd、Dy、Ho、Y、Er、Tm和Yb）是一种很有前途的电解质材料，其质子电导率高达近0.01 S cm-1，明显高于300C左右的其他质子导体。
“在这项研究中，我们发现了陶瓷质子导体中质子导体最高的一种：新型六方钙钛矿相关氧化物Ba5Er2Al2SnO13，这将成为快速质子导体发展的突破，”Yashima表示。
该材料的高质子电导率归因于具有独特晶体结构的高氧缺损材料中的充分水合。该结构可以形象地看作是八面体层和缺氧六方密堆积AO3–（h'）层的堆叠（A是大阳离子，例如Ba2+，代表氧空位的数量）。水合后，这些空位被水分子中的氧完全占据，形成羟基（OH⁻），释放质子（H+），质子在结构中迁移，从而增强电导率。
在这项研究中，研究人员利用固态反应合成了Ba5Er2Al2SnO13（BEAS）。该材料具有大量氧空位（ = 0.2），吸水率为1，表明其具有完全水合能力。经测试，在356C时，其在湿氮环境中的电导率比在干氮环境中高2,100倍。完全水合时，其在303C时的电导率达到0.01 S cm-1。
此外，八面体层中原子的排列为质子迁移提供了路径，进一步提高了质子电导率。在Ba5Er2Al2SnO13·H2O的仿真中，研究人员研究了2×2×1晶体结构超晶胞中的质子运动，以Ba40Er16Al16Sn8O112H16为代表。该结构包含两个h'层和两个八面体层，研究人员发现，八面体层中的质子表现出长距离迁移，表明质子扩散速度很快。
Yashima解释道：“BEAS的高质子电导率归因于其高质子浓度和扩散系数。”除了高电导率外，该材料在PCFC的工作温度下也具有化学稳定性。在600C的氧气、空气、氢气和CO2湿气环境下对材料进行退火后，研究人员观察到其成分和结构没有变化，表明该材料具有强大的稳定性，适合连续运行而不会降解。
Yashima表示：“这些发现为质子导体开辟了新途径。在高度缺氧的六方钙钛矿相关材料中，通过完全水合和八面体层中质子快速迁移实现的高质子传导率将成为开发下一代质子导体的有效策略。”凭借其卓越的性能，这种材料可以实现高效、耐用且温度较低的燃料电池。
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