Segnaliamo Ba5Er2Al2ZrO13, un ossido esagonale correlato alla perovskite come una nuova classe di conduttori di protoni che presentano conducibilità superiori a 10?3 S cm?1 tra 300 e 1200°C. Una nuova famiglia di strutture di conduttori di protoni con l'intrinsecamente carente di ossigeno h? layer offre una strategia nella progettazione di conduttori protonici superiori basati su ossidi esagonali correlati alla perovskite. Credito:Tokyo Tech
Negli ultimi anni, Le celle a combustibile sono diventate un punto focale della ricerca sulla tecnologia ecocompatibile grazie alle loro capacità superiori di immagazzinare e produrre energia rinnovabile e carburante pulito. Un tipico tipo di cella a combustibile che sta guadagnando terreno è la cella a combustibile a conduzione protonica, costituito principalmente da materiali attraverso i quali ioni idrogeno (protoni:H + ), può muoversi facilmente. I materiali conduttori di protoni offrono una serie di vantaggi rispetto alle celle a combustibile comunemente usate che comprendono conduttori di ioni ossido per elettroliti, come una maggiore conduttività a temperature basse e intermedie, vite più lunghe, e costi inferiori.
Però, solo un numero limitato di tali materiali è noto e la loro applicazione allo sviluppo di celle a combustibile è rimasta in gran parte su scala di laboratorio. Per realizzare veramente un'economia energetica sostenibile, devono essere scoperti nuovi conduttori di protoni ad alta conduttività che possano consentire l'espansione a basso costo ed efficiente di queste tecnologie.
Gli scienziati di Tokyo Tech e ANSTO si sono proposti di rispondere a questa esigenza, e in un recente studio, identificato un nuovo materiale conduttore di protoni che potrebbe essere un rappresentante di un'intera famiglia di conduttori di protoni.
Il materiale in questione ha la formula chimica Ba 5 Er 2 Al 2 ZrO 13 ed è classificato come "ossido correlato alla perovskite esagonale". Prof Masatomo Yashima, che ha condotto lo studio, spiega:"La conduzione dei protoni negli ossidi avviene tipicamente attraverso il salto di protoni tra gli ioni di ossido. Pertanto, la struttura cristallina e l'ambiente locale intorno agli ioni ossido hanno un enorme impatto sulle possibili vie di conduzione. Questo spiega perché un'elevata conduttività protonica è stata segnalata solo in un numero limitato di materiali".
Il professor Yashima e il suo team hanno notato che la struttura di Ba 5 Er 2 Al 2 ZrO 13 contiene strati carenti di ossigeno e la sua conduttività protonica è superiore a quella dei conduttori protonici rappresentativi, che vengono creati introducendo artificialmente carenze di ossigeno nelle strutture cristalline di alcuni materiali. Si sono resi conto che questa carenza intrinseca di ossigeno di Ba 5 Er 2 Al 2 ZrO 13 potrebbe dargli un notevole vantaggio rispetto ai conduttori di protoni convenzionali, eliminando un grosso problema in essi:la loro instabilità e la difficoltà di sintetizzare campioni composizionalmente omogenei.
Hanno condotto una serie di esperimenti per chiarire i meccanismi alla base di questa proprietà. Le indagini iniziali hanno mostrato che la conduttività protonica di Ba5Er2Al2ZrO13 è elevata a temperature intermedie e basse che sono fondamentali per potenziali applicazioni industriali. Dopo ulteriori sperimentazioni, si è scoperto che le molecole d'acqua (H2O) nell'aria possono dissolversi negli strati carenti di ossigeno del cristallo, dove l'ossigeno dall'acqua viene separato dall'idrogeno per produrre H+ mobile. Questi H+ poi "saltano attraverso gli ioni ossido" all'interno degli strati carenti di ossigeno, consentendo un'elevata conduttività protonica.
Questo fenomeno non è limitato a questo particolare materiale. Il team ha sintetizzato altri materiali con strutture simili e ha condotto test preliminari sulla loro conduttività elettrica. Hanno trovato risultati comparabili a quelli per Ba 5 Er 2 Al 2 ZrO 13 . Assistente Dott. Taito Murakami, primo autore dello studio, spiega:"I nostri risultati suggeriscono che gli strati carenti di ossigeno negli ossidi esagonali correlati alla perovskite potrebbero essere un blocco strutturale generale che conferisce un'elevata conduttività protonica. Questi strati possono essere trovati in un certo numero di ossidi oltre a Ba 5 Er 2 Al 2 ZrO 13 ."
Questa scoperta di una gamma completamente nuova di materiali intrinsecamente ad alta conducibilità protonica, e il meccanismo della loro conducibilità protonica, potrebbe portare la ricerca in questo campo verso nuovi orizzonti. Dott. James R. Hester dell'ANSTO, che hanno anche partecipato allo studio, osserva:"Il nostro lavoro presenta una potenziale strategia per progettare conduttori di protoni superiori basati sugli strati carenti di ossigeno di alcuni ossidi correlati alla perovskite". Si spera che questo lavoro rappresenti un passo verso un futuro più pulito.
