Гексагональные оксиды перовскита: электролиты для керамических топливных элементов следующего поколения

Новый шестиугольный перовский оксид оксида Ba5er2al2sno13 может проложить путь для развития более быстрых протонных проводников.Кредит: Токийский технологический институт

Исследователи из Tokyo Tech идентифицировали гексагональные оксиды BA5R2AL2SNO13 (R = редкоземельный металл), связанные с оксидами, в качестве материалов с исключительно высокой протонной проводимостью и тепловой 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 протонических керамических топливных элементов следующего поколения, которые могут работать при промежуточных температурах без разложения.Исследование представляет значительный прогресс в технологии топливных элементов.

Топливные элементы предлагают многообещающий раствор для чистой энергии, комбинируя водород и кислород для выработки электроэнергии, причем только вода и тепло производятся в качестве побочных продуктов.Они состоят из анода, катода и электролита.Газовый водород вводится в аноде, где он разбивается на протоны (H+) и электроны.

Электроны создают электрический ток, в то время как протоны мигрируют через электролит в катод, где они реагируют с кислородом с образованием воды.Большинство топливных элементов представляют собой твердые оксидные топливные элементы (SOFC), которые используют проводники оксидных ионов в качестве электролитов.Тем не менее, основной проблемой с SOFC является высокие рабочие температуры, что приводит к деградации материалов с течением времени.

Чтобы решить эту проблему, протонические керамические топливные элементы (PCFC), которые используют протонопроводящие керамические материалы в качестве электролитов.Эти топливные элементы могут работать при промежуточных, более управляемых температурах 200–500 ° C.Тем не менее, поиск подходящих материалов, которые демонстрируют как высокую протонную проводимость, так и химическую стабильность при этих промежуточных температурах, остается проблемой.

В исследовании, опубликованном в журнале Американского химического общества, исследователи во главе с профессором Масатомо Ясимой из Токийского технологического института (Tokyo Tech), в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку, сделали значительный прорыв.

Они идентифицировали химически стабильные гексагональные оксиды, связанные с перовскитом, BA5R2AL2SNO13 (где R представляет редкоземельные металлы GD, DY, HO, Y, ER, TM и YB) в качестве перспективных электролитных материалов с высокой протонной проводимостью почти 0,01 с CM-1,что особенно выше, чем у других протонных проводников около 300 ° C.

«В этой работе мы обнаружили одного из самых высоких протонных проводников среди керамических протонных протонов: новые шестиугольные оксидные оксид перовскита, что станет прорывом для развития быстрых протоновских проводников»,-говорит Ясима.

Высокая протонная проводимость материала связана с полной гидратацией в материале с высокой кислотой с уникальной кристаллической структурой.Структура может быть визуализирована как укладка октаэдрических слоев и кислородных гексагональных слоев AO3-Δ (H ’) (A-большой катион, такой как BA2+ и Δ, представляют количество вакансий кислорода).

При гидратировании эти вакансии полностью заняты оксигенами из молекул воды с образованием гидроксильных групп (OH⁻), высвобождая протоны (H+), которые мигрируют через структуру, повышая проводимость.

В своем исследовании исследователи синтезировали BA5ER2AL2SNO13 (BEAS) с использованием твердотельных реакций.Материал имел большое количество кислородных вакансий (Δ = 0,2) и демонстрировало дробное поглощение воды 1, что указывает на его способность к полному гидратации.При тестировании было обнаружено, что его проводимость во влажной азотной среде была в 2100 раз выше, чем в сухой азотной среде при 356 ° C.При полном гидратировании он достиг проводимости 0,01 с CM-1 при 303 ° C.

Более того, расположение атомов в октаэдрических слоях обеспечивает пути для миграции протонов, что еще больше увеличивает протонную проводимость.При моделировании BA5ER2AL2SNO13 · H2O исследователи изучали движение протона в 2 × 2 × 1 суперярчине кристаллической структуры, представленной BA40ER16AL16SN8O112H16.Эта структура включала два H ‘слоя и два октаэдрических слоя.Исследователи обнаружили, что протоны в октаэдрическом слое показали миграции протонов на большие расстояния, что указывает на быструю диффузию протонов.

«Высокая протонная проводимость BEAS связана с его высокой концентрацией протонов и коэффициентом диффузии», - объясняет Ясима.

В дополнение к высокой проводимости, материал также химически стабилен при рабочих температурах PCFC.После отжига материала при влажной атмосфере кислорода, воздуха, водорода и CO2 при 600 ° C исследователи не наблюдали изменений в его составе и структуре, что указывает на надежную стабильность и пригодность материала для непрерывной работы без разложения.

«Эти результаты открывают новые возможности для протонных проводников. Высокая протонная проводимость посредством полной гидратации и быстрой миграции протонов в октаэдрических слоях в высокосефицитных гексагональных гексагоговых материалах пероскита станет эффективной стратегией развития протоновых протоноров следующего поколения»,-говорится в Ясиме.ПолемС его исключительными свойствами этот материал может привести к эффективным, долговечным и низкотемпературным топливным элементам.

More information: Kohei Matsuzaki et al, High Proton Conduction in the Octahedral Layers of Fully Hydrated Hexagonal Perovskite-Related Oxides, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c04325