轉(zhuǎn)載自公眾平臺：ScienceAI

為了可持續(xù)發(fā)展，最終取代煤炭和石油等傳統(tǒng)能源，世界各地的科學(xué)家都在努力開發(fā)環(huán)保技術(shù)，以安全、高效地生產(chǎn)能源。

自 20 世紀(jì) 60 年代以來，燃料電池作為直接從電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的有前途的方法一直在穩(wěn)步獲得關(guān)注。

然而，基于固體氧化物的典型燃料電池有一個明顯的缺點(diǎn)，即它們在高溫下運(yùn)行，通常超過 700°C。

質(zhì)子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cell，PCFC）是一種以質(zhì)子導(dǎo)體為電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池，具有環(huán)境效應(yīng)好、能量轉(zhuǎn)化效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)以及溫度依賴性低等優(yōu)點(diǎn)，在大型集中供電、分布式發(fā)電、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)、以及船舶車輛動力電源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

PCFC 使用特殊陶瓷來傳導(dǎo)質(zhì)子而不是氧化物陰離子。由于 300 至 600°C 的低得多的工作溫度，與大多數(shù)其他燃料電池相比，PCFC 可以以更低的成本確保穩(wěn)定的能源供應(yīng)。不幸的是，目前只有少數(shù)具有合理性能的質(zhì)子傳導(dǎo)材料是已知的，這正在減緩該領(lǐng)域的進(jìn)展。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，包括日本東京工業(yè)大學(xué)的 Masatomo Yashima 教授在內(nèi)的一組研究人員一直在尋找 PCFC 的優(yōu)良質(zhì)子導(dǎo)體候選者。最新研究發(fā)現(xiàn) Ba2LuAlO5 作為一種有前途的質(zhì)子導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為 PCFC 描繪了光明的未來。

該團(tuán)隊報告了 Ba2LuAlO5?的非凡特性，這是一種新的六方鈣鈦礦相關(guān)氧化物，為質(zhì)子傳導(dǎo)提供了有趣的見解。實驗表明，即使沒有任何額外的化學(xué)修飾，這種新型材料也具有非常高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，分子動力學(xué)模擬揭示了潛在的原因。這些新見解可能為更安全、更高效的能源技術(shù)鋪平道路。

該研究以《High proton conduction in Ba2LuAlO5 with highly oxygen-deficient layers》為題，發(fā)布在《Communications Materials》上。

Yashima 及其同事在專注于尋找具有大量內(nèi)在氧空位的化合物時發(fā)現(xiàn)了 Ba2LuAlO5。這是受先前研究結(jié)果的推動，這些研究強(qiáng)調(diào)了這些空位在質(zhì)子傳導(dǎo)中的重要性。對 Ba2LuAlO5 樣品的實驗表明，這種材料在低溫下具有高質(zhì)子電導(dǎo)率——其電導(dǎo)率在 487°C 時為 10^-2 S cm^-1，在 232°C 時為 1.5×10^-3 S cm^-1——甚至 無需額外的化學(xué)改進(jìn)，例如摻雜。

后來，該團(tuán)隊試圖找出這一特性的根本原因。通過分子動力學(xué)模擬和中子衍射測量，他們了解了?Ba2LuAlO5 的兩個重要特性。首先，與其他類似材料相比，這種氧化物吸收了大量的水 (H2O)，形成 Ba2LuAlO5*xH2O（x=0.50）。這種大量吸水發(fā)生在 AlO4 四面體的兩個相對層內(nèi)，這是由于六方密排 h’ BaO 層中存在大量本征氧空位而成為可能。反過來，氧化物較高的水含量通過各種機(jī)制增加其質(zhì)子傳導(dǎo)性，例如更高的質(zhì)子濃度和增強(qiáng)的質(zhì)子跳躍。

第二個重要特性與質(zhì)子如何通過 Ba2LuAlO5 移動有關(guān)。模擬顯示質(zhì)子主要沿著 LuO6 層的界面擴(kuò)散，形成立方密排 c BaO3 層，而不是通過 AlO4 層。正如 Yashima 解釋的那樣，這些信息對于尋找其他質(zhì)子傳導(dǎo)材料可能至關(guān)重要，「我們的工作提供了新的設(shè)計指南，為未來開發(fā)更高性能的質(zhì)子導(dǎo)體開辟了未開發(fā)的途徑。」

研究人員希望在接下來的研究中找到其他基于 Ba2LuAlO5 的質(zhì)子傳導(dǎo)材料。Yashima 教授評論說：「通過改變?Ba2LuAlO5 的化學(xué)成分，可以預(yù)期質(zhì)子傳導(dǎo)率會進(jìn)一步提高，例如，與鈣鈦礦相關(guān)的氧化物 Ba2LuAlO5 也可能表現(xiàn)出高傳導(dǎo)性，因為它的結(jié)構(gòu)與 Ba2LuAlO5 的結(jié)構(gòu)非常相似。」