Loading ...Исследователи из Токийского технологического института определили гексагональные оксиды Ba 5 R 2 Al 2 SnO 13 (R = редкоземельный металл) как материалы с исключительно высокой протонной проводимостью и термической стабильностью.
Их уникальная кристаллическая структура и большое количество кислородных вакансий обеспечивают полную гидратацию и высокую диффузию протонов, что делает эти материалы идеальными кандидатами в качестве электролитов для протонных керамических топливных элементов следующего поколения, которые могут работать при промежуточных температурах без деградации. Исследование представляет собой значительный прогресс в технологии топливных элементов.
Топливные элементы предлагают многообещающее решение для чистой энергии путем объединения водорода и кислорода для выработки электроэнергии, при этом в качестве побочных продуктов производятся только вода и тепло. Они состоят из анода, катода и электролита. Водородный газ вводится на аноде, где он расщепляется на протоны (H + ) и электроны.
Электроны создают электрический ток, в то время как протоны мигрируют через электролит к катоду, где они реагируют с кислородом, образуя воду. Большинство топливных элементов представляют собой твердооксидные топливные элементы (SOFC), которые используют оксидно-ионные проводники в качестве электролитов. Однако основной проблемой SOFC являются требуемые высокие рабочие температуры, что со временем приводит к деградации материала.
Для решения этой проблемы изучаются протонные керамические топливные элементы (PCFC), которые используют протонпроводящие керамические материалы в качестве электролитов. Эти топливные элементы могут работать при промежуточных, более управляемых температурах 200–500 °C. Однако поиск подходящих материалов, которые демонстрируют как высокую протонную проводимость , так и химическую стабильность при этих промежуточных температурах, остается сложной задачей.
В исследовании , опубликованном в Журнале Американского химического общества , исследователи под руководством профессора Масатомо Яшимы из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку совершили значительный прорыв.
Они определили химически стабильные гексагональные оксиды типа перовскита Ba5R2Al2SnO13 ( где R представляет собой редкоземельные металлы Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm и Yb) как перспективные электролитные материалы с высокой протонной проводимостью, составляющей почти 0,01 См см — 1 , что заметно выше, чем у других протонных проводников при температуре около 300 °C.
«В этой работе мы обнаружили один из самых высоких протонных проводников среди керамических протонных проводников: новый гексагональный перовскитный оксид Ba5Er2Al2SnO13 , который может стать прорывом в разработке быстрых протонных проводников», — говорит Яшима.
Высокая протонная проводимость материала объясняется полной гидратацией в материале с высоким дефицитом кислорода с уникальной кристаллической структурой. Структуру можно визуализировать как укладку октаэдрических слоев и гексагональных плотноупакованных слоев AO 3–δ (h’) с дефицитом кислорода (A — большой катион, такой как Ba 2+ , а δ представляет собой количество кислородных вакансий).
При гидратации эти вакансии полностью занимают кислороды из молекул воды, образуя гидроксильные группы (OH⁻), высвобождая протоны (H + ), которые мигрируют по структуре, повышая проводимость.
В своем исследовании ученые синтезировали Ba 5 Er 2 Al 2 SnO 13 (BEAS) с использованием твердофазных реакций. Материал имел большое количество кислородных вакансий (δ = 0,2) и продемонстрировал фракционное поглощение воды 1, что указывает на его способность к полной гидратации. При испытании его проводимость во влажной азотной среде оказалась в 2100 раз выше, чем в сухой азотной среде при 356 °C. При полной гидратации он достигал проводимости 0,01 См см -1 при 303 °C.
Более того, расположение атомов в октаэдрических слоях обеспечивает пути для миграции протонов, что дополнительно увеличивает протонную проводимость. При моделировании Ba 5 Er 2 Al 2 SnO 13 ·H 2 O исследователи изучали движение протонов в суперячейке 2×2×1 кристаллической структуры, представленной Ba 40 Er 16 Al 16 Sn 8 O 112 H 16 . Эта структура включала два слоя h’ и два октаэдрических слоя. Исследователи обнаружили, что протоны в октаэдрическом слое демонстрируют дальние миграции протонов, что указывает на быструю диффузию протонов.
«Высокая протонная проводимость BEAS объясняется его высокой концентрацией протонов и коэффициентом диффузии», — объясняет Яшима.
В дополнение к своей высокой проводимости, материал также химически стабилен при рабочих температурах PCFC. При отжиге материала во влажной атмосфере кислорода, воздуха, водорода и CO 2 при 600 °C исследователи не наблюдали никаких изменений в его составе и структуре, что указывает на надежную стабильность материала и его пригодность для непрерывной работы без деградации.
«Эти результаты открывают новые возможности для протонных проводников. Высокая протонная проводимость за счет полной гидратации и быстрой миграции протонов в октаэдрических слоях в гексагональных материалах на основе перовскита с высоким дефицитом кислорода станет эффективной стратегией для разработки протонных проводников следующего поколения», — говорит Яшима. Благодаря своим исключительным свойствам этот материал может привести к созданию эффективных, долговечных и низкотемпературных топливных элементов.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
98
