Theo báo cáo của các nhà khoa học từ Tokyo Tech, việc phát hiện ra Ba 2 LuAlO 5 với vai trò là chất dẫn proton đầy hứa hẹn sẽ vẽ nên một tương lai tươi sáng cho pin nhiên liệu gốm proton. Các thí nghiệm cho thấy rằng vật liệu mới lạ này có độ dẫn proton cao đáng kể ngay cả khi không có bất kỳ biến đổi hóa học bổ sung nào, và các mô phỏng động lực học phân tử tiết lộ những lý do cơ bản. Những hiểu biết mới này có thể mở đường cho các công nghệ năng lượng an toàn và hiệu quả hơn.
Khi nói về tính bền vững, cách thức mà một xã hội tạo ra năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét. Mong muốn cuối cùng sẽ thay thế các nguồn năng lượng truyền thống như than đá và dầu mỏ, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang cố gắng phát triển các công nghệ thân thiện với môi trường để sản xuất năng lượng một cách an toàn và hiệu quả hơn. Trong số đó, pin nhiên liệu đã dần dần đạt được sức hút kể từ những năm 1960 như một phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất điện trực tiếp từ các phản ứng điện hóa.
Tuy nhiên, pin nhiên liệu điển hình dựa trên oxit rắn có nhược điểm đáng chú ý là chúng hoạt động ở nhiệt độ cao, thường trên 700°C. Đó là lý do tại sao nhiều nhà khoa học đã tập trung vào pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) để thay thế. Các tế bào này sử dụng gốm đặc biệt dẫn proton (H + ) thay vì anion oxit (O 2− ). Nhờ nhiệt độ hoạt động thấp hơn nhiều trong khoảng từ 300 đến 600°C, PCFC có thể đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định với chi phí thấp hơn so với hầu hết các loại pin nhiên liệu khác. Thật không may, hiện nay chỉ có một vài vật liệu dẫn proton với hiệu suất hợp lý được biết đến, điều này đang làm chậm tiến độ trong lĩnh vực này.
Để giải quyết thách thức này, một nhóm các nhà nghiên cứu, trong đó có Giáo sư Masatomo Yashima từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) ở Nhật Bản, đã tìm kiếm các ứng cử viên dẫn proton tốt cho PCFC. Trong nghiên cứu mới nhất của họ, được công bố trên tạp chí Communications Materials , nhóm nghiên cứu đã báo cáo các tính chất đáng chú ý của Ba 2 LuAlO 5 , một ôxít lục giác mới liên quan đến perovskite đã cung cấp những hiểu biết thú vị về sự dẫn truyền của proton.
Yashima và các đồng nghiệp đã phát hiện ra Ba 2 LuAlO 5 trong khi tập trung vào việc tìm kiếm các hợp chất có nhiều ô trống nội tại. Điều này được thúc đẩy bởi kết quả của các nghiên cứu trước đây nhấn mạnh tầm quan trọng của những chỗ trống này trong sự dẫn truyền proton. Các thí nghiệm trên các mẫu Ba 2 LuAlO 5 cho thấy rằng vật liệu này có độ dẫn proton cao ở nhiệt độ thấp—độ dẫn điện của nó là 10 ‒2 S cm ‒1 ở 487°C và 1,5×10 ‒3 S cm ‒1 ở 232° C—ngay cả khi không có các tinh chế hóa học bổ sung, chẳng hạn như pha tạp.
Sau đó, nhóm đã tìm cách tìm ra những lý do cơ bản cho tài sản này. Thông qua mô phỏng động lực học phân tử và phép đo nhiễu xạ neutron, họ đã biết được hai đặc điểm quan trọng của Ba 2 LuAlO 5 . Thứ nhất, oxit này hấp thụ một lượng lớn nước (H 2 O), so với các vật liệu tương tự khác, để tạo thành Ba 2 LuAlO 5*x H 2 O (với x = 0,50). Sự hấp thụ nước lớn này, xảy ra trong hai lớp AlO 4 đối diện nhautứ diện, được tạo ra bởi một số lượng lớn các chỗ trống oxy nội tại trong các lớp h' BaO hình lục giác được đóng gói chặt chẽ. Đổi lại, hàm lượng nước cao hơn của oxit làm tăng độ dẫn proton của nó thông qua nhiều cơ chế khác nhau, chẳng hạn như nồng độ proton cao hơn và bước nhảy proton được tăng cường.
Đặc điểm quan trọng thứ hai có liên quan đến cách các proton di chuyển qua Ba 2 LuAlO 5 . Các mô phỏng cho thấy rằng các proton khuếch tán chủ yếu dọc theo các giao diện của các lớp LuO 6 , tạo thành các lớp c BaO 3 hình khối xếp khít nhau , chứ không phải xuyên qua các lớp AlO 4 . Thông tin này có thể rất quan trọng trong việc tìm kiếm các vật liệu dẫn proton khác, như Yashima giải thích, "Công việc của chúng tôi cung cấp các hướng dẫn thiết kế mới mở ra những con đường chưa được khám phá để phát triển các chất dẫn proton hiệu suất cao hơn trong tương lai."
Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tìm thấy các vật liệu dẫn proton khác dựa trên Ba 2 LuAlO 5 trong các nghiên cứu sắp tới. Giáo sư Yashima nhận xét : "Bằng cách thay đổi thành phần hóa học của Ba 2 LuAlO 5 , có thể mong đợi những cải tiến hơn nữa về độ dẫn proton," Giáo sư Yashima nhận xét, "Ví dụ, ôxít liên quan đến perovskite Ba 2 InAlO 5 cũng có thể thể hiện độ dẫn cao do cấu trúc của nó khá tương tự như của Ba 2 LuAlO 5 ."
