科学家发现用于下一代燃料电池的新型质子导体

东京工业大学的科学家报告说，Ba2LuAlO5作为一种有前途的质子导体的发现为质子陶瓷燃料电池描绘了光明的未来。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。

在谈论可持续性时，社会产生能源的方式是需要考虑的一些最重要的因素。渴望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。其中，自1960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。这就是为什么许多科学家转而关注质子陶瓷燃料电池(PCFC)的原因。这些电池使用特殊陶瓷来传导质子(H+)而不是氧化物阴离子(O2−)。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，这减缓了该领域的进展。

为了应对这一挑战，包括日本东京工业大学(TokyoTech)的MasatomoYashima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。在他们发表于CommunicationsMaterials的最新研究中，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。

Yashima及其同事在专注于寻找具有大量固有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样品进行的实验表明，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10‒2Scm‒1，在232°C时为1.5×10‒3Scm‒1C—即使没有额外的化学改进，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。首先是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两个相对的AlO4层中四面体，是通过六方密排的h'BaO层中的大量固有氧空位而成为可能的。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形成立方密排cBaO3层的LuO6层的界面扩散，而不是通过AlO4层扩散。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，可以预期进一步提高质子传导性，”例如，与钙钛矿相关的氧化物Ba2InAlO5也可能表现出高传导性，因为它的结构相当类似于Ba2LuAlO5。”