Lovande hexagonala perovskitoxider förbättrar bränsleceller med hög protonledningsförmåga vid medeltemperatur.

StockholmForskare vid Tokyo Tech har gjort ett viktigt framsteg inom bränslecellsteknik. De har upptäckt att hexagonala perovskitrelaterade oxider, särskilt Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (där R är en sällsynt jordartsmetall), kan vara effektiva material för protoniska keramiska bränsleceller (PCFC). Denna upptäckt är lovande för utvecklingen av bättre bränsleceller.

• Hög protonledningsförmåga
• Enastående termisk stabilitet
• Unik kristallstruktur
• Full hydratiseringskapacitet
• Hög protondiffusion

Bränsleceller genererar elektricitet genom att blanda väte och syre, och de avger bara vatten och värme som restprodukter. De består av tre huvuddelar: anod, katod och elektrolyt. Vid anoden bryts väte ner till protoner (H⁺) och elektroner. Protonerna går genom elektrolyten till katoden, där de förenas med syre för att bilda vatten.

De flesta bränsleceller, kända som fasta oxidbränsleceller (SOFC), använder oxidjonledare och kräver höga temperaturer för att fungera, vilket kan leda till att materialen slits ut över tid. Forskare undersöker dock protoniska keramiska bränsleceller (PCFC) eftersom de kan arbeta vid lägre temperaturer (200-500 °C). Utmaningen är att hitta material med god protonledningsförmåga och stabilitet vid dessa lägre temperaturer.

Forskare från Tokyo Institute of Technology och Tohoku University, under ledning av professor Masatomo Yashima, har upptäckt att Ba₅R₂Al₂SnO₁₃-oxider kan vara effektiva elektrolyter. Dessa oxider uppvisade hög protonledningsförmåga, nästan 0,01 S cm⁻¹ vid cirka 300 °C, vilket är högre än andra liknande material. De sällsynta jordartsmetaller som användes i studien var Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm och Yb.

Den höga protonledningsförmågan beror på materialets unika kristallstruktur. Det finns skikt av oktader och syrefattiga skikt som kallas A O₃-δ (h'). När vatten tillsätts fylls de tomma utrymmena i dessa skikt, vilket bildar hydroxylgrupper (OH⁻) som frigör protoner (H⁺). Dessa protoner rör sig sedan genom strukturen och förbättrar ledningsförmågan.

Läs också:

Idag · 04:05

Vikingarna: pionjärer i handeln med valrossbetar i Arktis

Forskarna framställde BEAS genom fasta tillståndsreaktioner. Materialet hade många syrebrister (δ = 0,2) och kunde helt hydreras genom att absorbera vatten fullständigt. I en fuktig kvävgasmiljö vid 356 °C var dess ledningsförmåga 2 100 gånger högre än i en torr kvävgasmiljö. När det var fullt hydratiserat, uppnåddes en ledningsförmåga på 0,01 S cm⁻¹ vid 303 °C.

De oktahydriska lagren gör det enkelt för protoner att röra sig, vilket ökar protonledningsförmågan. Simuleringar visade att protoner i dessa lager färdades långa sträckor, vilket visar att de rör sig snabbt. Yashima förklarar att BEAS har hög protonledningsförmåga eftersom det har ett stort antal protoner och en hög diffusionshastighet.

Materialet förblir stabilt i kemikalier vid de temperaturer som används i PCFC-drift. Tester vid 600 °C med vattenånga, syre, luft, väte och CO₂ visade inga förändringar i dess sammansättning och struktur. Detta betyder att det är robust och kan användas kontinuerligt utan att brytas ner.

Yashima hävdar att hög protonledningsförmåga i vissa material med många syregap är en effektiv metod för att skapa kraftfulla protonledare för framtiden.

Detta material kan göra bränsleceller mer effektiva, hållbara och fungerande vid lägre temperaturer.