Nuovo conduttore di protoni per il prossimo

Apr 28, 2023

Gli scienziati della Tokyo Tech hanno scoperto Ba2LuAlO5 come un promettente conduttore di protoni per celle a combustibile ceramiche protoniche. L'ossido mostra conduttività protoniche di 10−2 S cm−1 a 487 °C e 1,5 × 10−3 S cm−1 a 232 °C, elevata diffusività ed elevata stabilità chimica senza drogaggio chimico. Queste nuove intuizioni potrebbero aprire la strada a tecnologie energetiche più sicure ed efficienti.

Un documento ad accesso libero sull'opera è pubblicato in Materiali di comunicazione.

Ba2LuAlO5 è un ossido esagonale correlato alla perovskite con strati h′ esagonali ravvicinati altamente carenti di ossigeno, che consente una grande quantità di assorbimento di acqua x = 0,50 in Ba2LuAlO5·x H2O. Le simulazioni di dinamica molecolare ab initio e la diffrazione di neutroni mostrano l'idratazione nello strato h′ e la migrazione dei protoni principalmente attorno agli strati c cubici compatti esistenti all'interfaccia degli strati ottaedrici di LuO6. Questi risultati dimostrano che l’elevata conduzione protonica consentita dagli strati cubici e compattati, altamente carenti di ossigeno, è una strategia promettente per lo sviluppo di conduttori protonici ad alte prestazioni.

Le tipiche celle a combustibile basate su ossidi solidi presentano il notevole inconveniente di funzionare a temperature elevate, solitamente superiori a 700 °C. Questo è il motivo per cui molti scienziati si sono concentrati invece sulle celle a combustibile ceramiche protoniche (PCFC). Queste celle utilizzano ceramiche speciali che conducono protoni (H+) invece degli anioni ossido (O2−). Grazie a una temperatura operativa molto più bassa, compresa tra 300 e 600 °C, le PCFC possono garantire un approvvigionamento energetico stabile a un costo inferiore rispetto alla maggior parte delle altre celle a combustibile. Sfortunatamente, attualmente si conoscono solo pochi materiali conduttori di protoni con prestazioni ragionevoli, il che sta rallentando il progresso in questo campo.

Per affrontare questa sfida, un team di ricercatori, tra cui il professor Masatomo Yashima del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in Giappone, è stato alla ricerca di buoni candidati conduttori di protoni per i PCFC.

Il prof. Yashima e colleghi hanno scoperto Ba2LuAlO5 mentre si concentravano sulla ricerca di composti con molti posti vacanti di ossigeno intrinseci. Ciò è stato motivato dai risultati di studi precedenti che evidenziavano l’importanza di questi posti vacanti nella conduzione dei protoni.

Attraverso simulazioni di dinamica molecolare e misurazioni di diffrazione di neutroni, hanno appreso due importanti caratteristiche di Ba2LuAlO5. Il primo è che questo ossido assorbe molta acqua (H2O), rispetto ad altri materiali simili, per formare Ba2LuAlO5.0.5H2O. Questo grande assorbimento di acqua, che avviene all’interno di due strati opposti di tetraedri AlO4, è reso possibile da un elevato numero di posti vacanti di ossigeno intrinseci negli strati esagonali ravvicinati di h´ BaO. A sua volta, il maggiore contenuto di acqua dell'ossido aumenta la sua conduttività protonica attraverso vari meccanismi, come una maggiore concentrazione di protoni e un potenziamento del proton hopping.

La seconda caratteristica importante è legata al modo in cui i protoni si muovono attraverso Ba2LuAlO5. Le simulazioni hanno rivelato che i protoni si diffondono principalmente lungo le interfacce degli strati di LuO6, che formano strati cubici compatti di c BaO3, piuttosto che attraverso gli strati di AlO4. Questa informazione potrebbe essere fondamentale nella ricerca di altri materiali conduttori di protoni.

I ricercatori si aspettano di trovare altri materiali conduttori di protoni basati su Ba2LuAlO5 nei prossimi studi.

Modificando la composizione chimica di Ba2LuAlO5, ci si possono aspettare ulteriori miglioramenti nella conduttività protonica. Ad esempio, anche l'ossido legato alla perovskite Ba2LuAlO5 può presentare un'elevata conduttività poiché la sua struttura è abbastanza simile a quella di Ba2LuAlO5.

Risorse

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu e Masatomo Yashima (2023) "Alta conduzione protonica in Ba2LuAlO5 con strati altamente carenti di ossigeno" Materiali di comunicazione doi: 10.1038/s43246-023-00364-5

Pubblicato il 07 giugno 2023 in Celle a combustibile, Contesto del mercato, Materiali | Collegamento permanente | Commenti (0)