Vielversprechende hexagonale Perowskitoxide revolutionieren protonische Keramik-Brennstoffzellen

BerlinForscher am Tokyo Institute of Technology haben einen wichtigen Fortschritt in der Brennstoffzellentechnologie erzielt. Sie haben entdeckt, dass hexagonale perowskitähnliche Oxide, insbesondere Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (wobei R ein Seltenerdmetall ist), wirksame Materialien für protonenleitende keramische Brennstoffzellen (PCFCs) sein könnten. Diese Entdeckung ist vielversprechend für die Entwicklung effizienterer Brennstoffzellen.

• Hohe Protonenleitfähigkeit
• Außergewöhnliche thermische Stabilität
• Einzigartige Kristallstruktur
• Volle Hydratationsfähigkeit
• Hohe Protonendiffusion

Brennstoffzellen erzeugen Strom durch die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff und produzieren dabei nur Wasser und Wärme als Abfallprodukte. Sie bestehen aus drei Hauptkomponenten: Anode, Kathode und Elektrolyt. An der Anode zerfällt Wasserstoff in Protonen (H⁺) und Elektronen. Die Protonen durchqueren das Elektrolyt zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden und Wasser entstehen lassen.

Die meisten Brennstoffzellen, die als Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) bekannt sind, verwenden Oxidionenleiter und erfordern hohe Temperaturen, was die Materialien im Laufe der Zeit abnutzen kann. Wissenschaftler erforschen protonenleitende Keramik-Brennstoffzellen (PCFCs), da sie bei niedrigeren Temperaturen (200-500 °C) arbeiten können. Allerdings ist es schwierig, Materialien zu finden, die sowohl eine gute Protonenleitfähigkeit als auch die notwendige Stabilität bei diesen niedrigeren Temperaturen aufweisen.

Forscher des Tokyo Institute of Technology und der Tohoku University, unter der Leitung von Professor Masatomo Yashima, haben entdeckt, dass Ba₅R₂Al₂SnO₁₃-Oxide gute Elektrolyte sein könnten. Diese Oxide wiesen eine hohe Protonenleitfähigkeit von fast 0,01 S cm⁻¹ bei etwa 300 °C auf, was höher ist als bei anderen ähnlichen Materialien. Die im Studium verwendeten seltenen Erden waren Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm und Yb.

Die hohe Protonenleitfähigkeit resultiert aus der speziellen Kristallstruktur des Materials. Es besitzt Schichten von Oktaedern und sauerstoffarme Schichten namens A O₃-δ (h'). Beim Hinzufügen von Wasser werden die leeren Räume in diesen Schichten gefüllt, wodurch Hydroxylgruppen (OH⁻) entstehen, die Protonen (H⁺) freisetzen. Diese Protonen bewegen sich dann durch die Struktur und verbessern die Leitfähigkeit.

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Die Forscher stellten BEAS durch Festkörperreaktionen her. Das Material wies viele Sauerstoffvakanzen (δ = 0,2) auf und konnte sich vollständig hydratisieren. In einer feuchten Stickstoffumgebung bei 356 °C war seine Leitfähigkeit 2.100-mal höher als in einer trockenen Stickstoffumgebung. Bei vollständiger Hydratation betrug seine Leitfähigkeit 0,01 S cm⁻¹ bei 303 °C.

Die oktaedrischen Schichten ermöglichen es Protonen, sich leicht zu bewegen, was die Protonenleitfähigkeit erhöht. Simulationen zeigten, dass Protonen in diesen Schichten über lange Distanzen reisen, was ihre schnelle Bewegung belegt. Yashima erläutert, dass BEAS eine hohe Protonenleitfähigkeit aufweist, da es eine hohe Anzahl an Protonen und eine hohe Diffusionsrate hat.

Das Material bleibt unter den in PCFC-Operationen verwendeten Chemikalien stabil. Tests bei 600 °C mit Wasserdampf, Sauerstoff, Luft, Wasserstoff und CO₂ zeigten keine Veränderungen in seiner Zusammensetzung und Struktur. Das bedeutet, dass es strapazierfähig ist und kontinuierlich verwendet werden kann, ohne sich zu zersetzen.

Laut Yashima ist eine hohe Protonenleitfähigkeit in speziellen Materialien mit zahlreichen Sauerstofflücken eine vielversprechende Methode, um zukunftsfähige Protonenleiter zu entwickeln.

Dieses Material könnte Brennstoffzellen effizienter, langlebiger und bei niedrigeren Temperaturen funktionsfähig machen.