Nuevo conductor de protones para el próximo

Apr 28, 2023

Científicos de Tokyo Tech han descubierto Ba2LuAlO5 como un prometedor conductor de protones para pilas de combustible de cerámica protónica. El óxido exhibe conductividades de protones de 10−2 S cm−1 a 487 °C y 1,5 × 10−3 S cm−1 a 232 °C, alta difusividad y alta estabilidad química sin dopaje químico. Estos nuevos conocimientos pueden allanar el camino hacia tecnologías energéticas más seguras y eficientes.

Un documento de acceso abierto sobre el trabajo se publica en Materiales de comunicación.

Ba2LuAlO5 es un óxido relacionado con la perovskita hexagonal con capas h′ hexagonales compactas altamente deficientes en oxígeno, lo que permite una gran cantidad de absorción de agua x = 0,50 en Ba2LuAlO5·x H2O. Las simulaciones de dinámica molecular ab initio y la difracción de neutrones muestran la hidratación en la capa h′ y la migración de protones principalmente alrededor de las capas c cúbicas compactas que existen en la interfaz de las capas octaédricas de LuO6. Estos resultados demuestran que la alta conducción de protones permitida por las capas compactas cúbicas altamente deficientes en oxígeno es una estrategia prometedora para el desarrollo de conductores de protones de alto rendimiento.

Las pilas de combustible típicas basadas en óxidos sólidos tienen el inconveniente notable de que funcionan a altas temperaturas, normalmente por encima de los 700 °C. Es por eso que muchos científicos se han centrado en cambio en las celdas de combustible de cerámica protónica (PCFC). Estas celdas utilizan cerámicas especiales que conducen protones (H+) en lugar de aniones de óxido (O2−). Gracias a una temperatura de funcionamiento mucho más baja en el rango de 300 a 600 °C, las PCFC pueden garantizar un suministro de energía estable a un costo menor, en comparación con la mayoría de las demás celdas de combustible. Desafortunadamente, actualmente solo se conocen unos pocos materiales conductores de protones con un rendimiento razonable, lo que está ralentizando el progreso en este campo.

Para abordar este desafío, un equipo de investigadores, incluido el profesor Masatomo Yashima del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) en Japón, ha estado buscando buenos candidatos a conductores de protones para PCFC.

El Prof. Yashima y sus colegas descubrieron Ba2LuAlO5 mientras se enfocaban en encontrar compuestos con muchas vacantes de oxígeno intrínseco. Esto fue motivado por los resultados de estudios previos que destacan la importancia de estas vacantes en la conducción de protones.

A través de simulaciones de dinámica molecular y mediciones de difracción de neutrones, aprendieron dos características importantes de Ba2LuAlO5. La primera es que este óxido absorbe mucha agua (H2O), en comparación con otros materiales similares, para formar Ba2LuAlO5.0.5H2O. Esta gran absorción de agua, que ocurre dentro de dos capas opuestas de tetraedros de AlO4, es posible gracias a una gran cantidad de vacantes de oxígeno intrínseco en las capas hexagonales compactas de h´ BaO. A su vez, el mayor contenido de agua del óxido aumenta su conductividad de protones a través de varios mecanismos, como una mayor concentración de protones y un mayor salto de protones.

La segunda característica importante está relacionada con cómo se mueven los protones a través de Ba2LuAlO5. Las simulaciones revelaron que los protones se difunden principalmente a lo largo de las interfaces de las capas de LuO6, que forman capas cúbicas compactas de c BaO3, en lugar de a través de las capas de AlO4. Esta información podría ser crítica en la búsqueda de otros materiales conductores de protones.

Los investigadores esperan encontrar otros materiales conductores de protones basados ​​en Ba2LuAlO5 en los próximos estudios.

Al modificar la composición química de Ba2LuAlO5, se pueden esperar mejoras adicionales en la conductividad de protones. Por ejemplo, el óxido Ba2LuAlO5 relacionado con la perovskita también puede exhibir una alta conductividad ya que su estructura es bastante similar a la de Ba2LuAlO5.

Recursos

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu y Masatomo Yashima (2023) "Alta conducción de protones en Ba2LuAlO5 con capas altamente deficientes en oxígeno" Materiales de comunicación doi: 10.1038/s43246-023-00364-5

Publicado el 07 junio 2023 en Pilas de combustible, Antecedentes del mercado, Materiales | Enlace permanente | Comentarios (0)