这项研究显示了燃料电池技术的重大进步。东京工业大学的研究人员发现，六方钙钛矿相关的Ba5R2Al2SnO13氧化物(R =稀土金属)是具有极高质子导电性和热稳定性的材料。它们独特的晶体结构和大量的氧空位使其能够充分水化和高质子扩散，使这些材料成为下一代质子陶瓷燃料电池的理想电解质，可以在中等温度下工作而不会降解。
燃料电池为清洁能源提供了一个很有前途的解决方案，它将氢和氧结合起来发电，只产生水和热作为副产品。它们由阳极、阴极和电解质组成。氢气被引入阳极，在那里它分裂成质子(H+)和电子。电子产生电流，而质子通过电解质迁移到阴极，在那里它们与氧反应生成水。大多数燃料电池是固体氧化物燃料电池(sofc)，它使用氧化物离子导体作为电解质。然而，sofc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，人们正在探索使用质子导电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200-500°C的中间温度下工作。然而，寻找在这些中间温度下既具有高质子导电性又具有化学稳定性的合适材料仍然是一个挑战。
在《美国化学学会杂志》上发表的一项研究中，由东京工业大学(Tokyo Tech)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。他们确定了化学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)作为有前途的电解质材料，具有高的质子导电性，几乎为0.01 S cm⁻¹，明显高于其他质子导体在300℃左右的导电性。
Yashima说:“在这项工作中，我们发现了陶瓷质子导体中最高的质子导体之一:新型六方钙钛矿相关氧化物Ba5Er2Al2SnO13，这将是快速质子导体发展的一个突破。”
该材料具有较高的质子导电性，这是由于在高氧缺乏材料中充分水化，具有独特的晶体结构。该结构可以可视化为八面体层和缺氧六方紧密堆积的AO3 -δ (h’)层的堆叠(a是Ba 2 +等大阳离子，δ表示氧空位的数量)。当水合作用时，这些空位被水分子中的氧完全占据，形成羟基(OH⁻)，释放出质子(H⁺)，氢⁺通过结构迁移，增强了导电性。
在他们的研究中，研究人员使用固态反应合成了Ba5Er2Al2SnO13 (BEAS)。该材料具有大量的氧空位(δ = 0.2)，分数吸水率为1，表明其具有充分水化的能力。经测试，其在湿氮环境下的电导率比在356℃干氮环境下的电导率高2100倍。当完全水合时，它在303°C下的传导率为0.01 S cm(⁻¹)。
此外，原子在八面体层中的排列为质子迁移提供了途径，进一步提高了质子的导电性。在Ba5Er2Al2SnO13·H2O的模拟中，研究人员研究了以Ba40Er16Al16Sn8O112H16为代表的晶体结构2×2×1超级单体中的质子运动。该结构包括两个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远距离的质子迁移，表明质子的快速扩散。
“BEAS的高质子导电性归因于它的高质子浓度和扩散系数，”Yashima解释说。
除了具有高导电性外，该材料在pcfc的工作温度下也具有化学稳定性。在600°C的氧气、空气、氢气和二氧化碳的湿气氛下退火材料时，研究人员观察到其成分和结构没有变化，表明材料具有强大的稳定性和连续运行而不降解的适用性。
“这些发现为质子导体开辟了新的途径。在高度缺氧的六方钙钛矿相关材料的八面体层中，通过充分水化和快速质子迁移的高质子导电性将是开发下一代质子导体的有效策略，”Yashima说。凭借其独特的性能，这种材料可以制造出高效、耐用和低温的燃料电池。
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