Obiecujące heksagonalne tlenki perowskitu zwiększają wydajność protonowych ogniw ceramicznych na średnich temperaturach

WarsawNaukowcy z Tokyo Tech dokonali ważnego przełomu w technologii ogniw paliwowych. Odkryli, że heksagonalne tlenki perowskitopodobne, w szczególności Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (gdzie R to metal ziem rzadkich), mogą być skutecznymi materiałami dla protonowych ceramicznych ogniw paliwowych (PCFC). To odkrycie stanowi obiecujący krok w kierunku rozwoju lepszych ogniw paliwowych.

• Wysoka przewodność protonowa
• Wyjątkowa stabilność termiczna
• Unikalna struktura krystaliczna
• Pełna zdolność do hydratacji
• Wysoka dyfuzja protonów

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez reakcję wodoru z tlenem, a jedynymi produktami odpadowymi są woda i ciepło. Składają się z trzech głównych części: anody, katody i elektrolitu. Na anodzie wodór rozkłada się na protony (H⁺) i elektrony. Protony przemieszczają się przez elektrolit do katody, gdzie łączą się z tlenem, tworząc wodę.

Większość ogniw paliwowych, znanych jako stało-tlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC), używa przewodników jonów tlenkowych i wymaga wysokich temperatur do działania, co z czasem może powodować zużycie materiałów. Naukowcy badają protonowe ceramiczne ogniwa paliwowe (PCFC), które mogą pracować w niższych temperaturach (200-500 °C). Jednak znalezienie materiałów o dobrej przewodności protonowej i stabilności w tych niższych temperaturach stanowi wyzwanie.

Badacze z Instytutu Technologii w Tokio i Uniwersytetu Tohoku pod kierownictwem profesora Masatomo Yashimy odkryli, że tlenki Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ mogą być dobrymi elektrolitami. Te tlenki wykazały wysoką przewodność protonową, wynoszącą prawie 0,01 S/cm przy około 300 °C, co jest wyższą wartością w porównaniu do innych podobnych materiałów. W badaniach wykorzystano metale ziem rzadkich, takie jak Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm i Yb.

Odkryliśmy, że Ba₅Er₂Al₂SnO₁₃ (BEAS) to jeden z najlepszych ceramicznych przewodników protonowych – twierdzi Yashima. Ten nowy materiał ma duży potencjał do szybkiego przewodzenia protonów.

Wysoka przewodność protonowa wynika z wyjątkowej struktury krystalicznej materiału. Składa się ona z warstw oktaedrów oraz warstw ubogich w tlen, zwanych A O₃-δ (h'). Gdy dodaje się wodę, puste przestrzenie w tych warstwach zostają wypełnione, tworząc grupy hydroksylowe (OH⁻), które uwalniają protony (H⁺). Te protony poruszają się następnie przez strukturę, co poprawia przewodność.

Zobacz również:

Dzisiaj · 04:05

Wikingowie: pionierzy arktycznych szlaków handlowych kością słoniową

Badacze stworzyli BEAS poprzez reakcje w stanie stałym. Materiał ten miał wiele wakatów tlenowych (δ = 0,2) i mógł się w pełni nawodnić, całkowicie wchłaniając wodę. W wilgotnym środowisku azotowym w temperaturze 356 °C, jego przewodnictwo było 2 100 razy większe niż w suchym środowisku azotowym. Po pełnym nawodnieniu, przewodnictwo wynosiło 0,01 S cm⁻¹ w temperaturze 303 °C.

Warstwy o strukturze oktaedrycznej umożliwiają łatwe przemieszczanie się protonów, co zwiększa ich przewodnictwo. Symulacje wykazały, że protony w tych warstwach pokonują duże odległości, co sugeruje, że poruszają się bardzo szybko. Yashima wyjaśnia, że BEAS charakteryzuje się wysokim przewodnictwem protonów z powodu dużej liczby protonów i wysokiej szybkości ich dyfuzji.

Materiał zachowuje stabilność chemiczną w warunkach temperatur wykorzystywanych podczas działania PCFC. Próby przeprowadzone przy 600 °C z użyciem pary wodnej, tlenu, powietrza, wodoru i CO₂ nie wykazały zmian w jego składzie i strukturze. Oznacza to, że jest solidny i można go używać nieprzerwanie, bez ryzyka degradacji.

Yashima twierdzi, że wysoka przewodność protonowa w niektórych materiałach z dużą ilością luk tlenowych jest dobrym sposobem na tworzenie skutecznych przewodników protonowych na przyszłość.

Ten materiał może sprawić, że ogniwa paliwowe będą bardziej wydajne, trwałe i zdolne do pracy w niższych temperaturach.