Ossidi perovskitici esagonali: nuova speranza per potenziare le celle a combustibile protoniche

RomeGli studiosi del Tokyo Tech hanno raggiunto un importante progresso nella tecnologia delle celle a combustibile. Hanno scoperto che gli ossidi perovskitici esagonali, in particolare il Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (dove R indica un metallo delle terre rare), potrebbero essere materiali efficaci per le celle a combustibile ceramiche protoniche (PCFC). Questa scoperta apre nuove possibilità per lo sviluppo di celle a combustibile più efficienti.

• Elevata conducibilità protonica
• Stabilità termica straordinaria
• Struttura cristallina unica
• Capacità di idratazione completa
• Alta diffusione protonica

Le celle a combustibile generano elettricità combinando idrogeno e ossigeno, producendo come rifiuti solo acqua e calore. Queste celle sono costituite da tre componenti principali: anodo, catodo ed elettrolita. All'anodo, l'idrogeno si scompone in protoni (H⁺) ed elettroni. I protoni attraversano l'elettrolita fino al catodo, dove si uniscono con l'ossigeno per formare acqua.

La maggior parte delle celle a combustibile, note come celle a combustibile a ossido solido (SOFC), utilizza conduttori di ioni ossido e richiede alte temperature per funzionare, il che può deteriorare i materiali nel tempo. I ricercatori stanno esaminando le celle a combustibile ceramiche protoniche (PCFC) perché possono operare a temperature più basse (200-500 °C). Tuttavia, è difficile trovare materiali con una buona conducibilità protonica che siano stabili a queste temperature inferiori.

Un team di ricercatori del Tokyo Institute of Technology e della Tohoku University, guidato dal Professor Masatomo Yashima, ha scoperto che gli ossidi Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ potrebbero essere ottimi elettroliti. Questi ossidi hanno mostrato un'elevata conducibilità protonica, quasi 0,01 S cm⁻¹ a circa 300 °C, superiore a quella di altri materiali simili. I metalli delle terre rare utilizzati nello studio erano Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm e Yb.

L'elevata conduttività protonica è dovuta alla particolare struttura cristallina del materiale. Presenta strati di ottaedri e strati poveri di ossigeno chiamati A O₃-δ (h'). Quando viene aggiunta acqua, gli spazi vuoti in questi strati si riempiono, formando gruppi idrossido (OH⁻) che rilasciano protoni (H⁺). Questi protoni si muovono poi attraverso la struttura, migliorando la conduttività.

Leggi anche:

Oggi · 04:05

Vichinghi e il commercio dell'avorio nell'Artico

I ricercatori hanno sviluppato il BEAS tramite reazioni allo stato solido. Il materiale presentava numerose vacanze di ossigeno (δ = 0,2) e poteva idratarsi completamente, assorbendo tutta l'acqua. In ambiente di azoto umido a 356 °C, la sua conduttività era di 2.100 volte superiore rispetto a quella in ambiente di azoto secco. Quando completamente idratato, la sua conduttività raggiungeva 0,01 S cm⁻¹ a 303 °C.

Gli strati ottaedrici facilitano il movimento dei protoni, migliorando la conduttività protonica. Le simulazioni hanno dimostrato che i protoni in questi strati viaggiano su lunghe distanze, dimostrando un rapido movimento. Yashima spiega che BEAS possiede un'alta conduttività protonica grazie alla grande quantità di protoni e a una elevata velocità di diffusione.

Il materiale si mantiene stabile in presenza di sostanze chimiche alle temperature impiegate nelle operazioni PCFC. Test a 600 °C con vapore acqueo, ossigeno, aria, idrogeno e CO₂ non hanno mostrato alcuna modifica nella sua composizione e struttura. Ciò significa che è resistente e può essere utilizzato continuativamente senza degradarsi.

Yashima afferma che l'alta conduttività protonica in determinati materiali con numerose lacune di ossigeno è un metodo efficace per creare conduttori protonici efficienti per il futuro.

Questo materiale potrebbe rendere le celle a combustibile più efficienti, durature e capaci di funzionare a temperature più basse.