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(資料圖片)

東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家報(bào)告說，Ba 2 LuAlO 5作為一種有前途的質(zhì)子導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為質(zhì)子陶瓷燃料電池描繪了光明的未來。實(shí)驗(yàn)表明，即使沒有任何額外的化學(xué)修飾，這種新型材料也具有非常高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了潛在的原因。這些新見解可能為更安全、更高效的能源技術(shù)鋪平道路。

在談?wù)摽沙掷m(xù)性時(shí)，社會產(chǎn)生能源的方式是一些最重要的考慮因素?？释罱K取代煤炭和石油等傳統(tǒng)能源，世界各地的科學(xué)家都在努力開發(fā)環(huán)保技術(shù)，以安全、高效地生產(chǎn)能源。其中，自 1960 年代以來，燃料電池作為直接從電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的有前途的方法一直在穩(wěn)步獲得關(guān)注。

然而，基于固體氧化物的典型燃料電池有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即它們在高溫下運(yùn)行，通常超過 700 °C。這就是為什么許多科學(xué)家轉(zhuǎn)而關(guān)注質(zhì)子陶瓷燃料電池 (PCFC) 的原因。這些電池使用特殊陶瓷來傳導(dǎo)質(zhì)子 (H + ) 而不是氧化物陰離子 (O 2? )。由于 300 至 600 °C 的低得多的工作溫度，與大多數(shù)其他燃料電池相比，PCFC 可以以更低的成本確保穩(wěn)定的能源供應(yīng)。不幸的是，目前只有少數(shù)具有合理性能的質(zhì)子傳導(dǎo)材料是已知的，這正在減緩該領(lǐng)域的進(jìn)展。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，包括日本東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)的 Masatomo Yashima 教授在內(nèi)的一組研究人員一直在尋找 PCFC 的優(yōu)良質(zhì)子導(dǎo)體候選者。在他們發(fā)表于Communications Materials的最新研究中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了 Ba 2 LuAlO 5的非凡特性，這是一種新的六方鈣鈦礦相關(guān)氧化物，為質(zhì)子傳導(dǎo)提供了有趣的見解。

Yashima 教授及其同事在專注于尋找具有大量本征氧空位的化合物時(shí)發(fā)現(xiàn)了 Ba 2 LuAlO 5 。這是受先前研究結(jié)果的推動(dòng)，這些研究強(qiáng)調(diào)了這些空位在質(zhì)子傳導(dǎo)中的重要性。對 Ba 2 LuAlO 5樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這種材料在低溫下具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率——其傳導(dǎo)率在 487 °C 時(shí)為 10 ?2 S cm ?1 ，在232 °C 時(shí)為 1.5×10 ?3 S cm ?1 C——即使沒有額外的化學(xué)改進(jìn)，如摻雜。

之后，該團(tuán)隊(duì)試圖找出這一特性的根本原因。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和中子衍射測量，他們了解了 Ba 2 LuAlO 5的兩個(gè)重要特性。首先是，與其他類似材料相比，這種氧化物吸收了大量的水 (H 2 O)，形成 Ba 2 LuAlO 5 .0.5H 2 O。這種大量吸水發(fā)生在 AlO 4四面體的兩個(gè)相對層內(nèi), 是由于六方密排 h "中的大量固有氧空位而成為可能氧化鋇層。反過來，氧化物較高的水含量通過各種機(jī)制增加其質(zhì)子傳導(dǎo)性，例如更高的質(zhì)子濃度和增強(qiáng)的質(zhì)子跳躍。

第二個(gè)重要特性與質(zhì)子如何通過 Ba 2 LuAlO 5移動(dòng)有關(guān)。模擬顯示質(zhì)子主要沿著形成立方密排c BaO 3層的LuO 6層的界面擴(kuò)散，而不是通過AlO 4層擴(kuò)散。正如 Yashima 教授所解釋的那樣，這些信息對于尋找其他質(zhì)子傳導(dǎo)材料可能至關(guān)重要：“我們的工作提供了新的設(shè)計(jì)指南，為未來開發(fā)更高性能的質(zhì)子導(dǎo)體開辟了未開發(fā)的途徑?！?/p>

研究人員希望在接下來的研究中找到其他基于 Ba 2 LuAlO 5的質(zhì)子傳導(dǎo)材料。Yashima 教授評論說：“通過改變 Ba 2 LuAlO 5的化學(xué)成分，可以預(yù)期進(jìn)一步提高質(zhì)子傳導(dǎo)性，”例如，與鈣鈦礦相關(guān)的氧化物 Ba 2 InAlO 5也可能表現(xiàn)出高傳導(dǎo)性，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)相當(dāng)類似于 Ba 2 LuAlO 5?！?/p>

總的來說，PCFCs 的未來似乎是光明的，進(jìn)而，可持續(xù)能源生產(chǎn)技術(shù)的未來也是如此。