Các chất dẫn ion oxit được sử dụng trong pin nhiên liệu thể rắn thường không phát huy hết tiềm năng khi hoạt động ở nhiệt độ dưới 500 o C, nhưng các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech mới đây đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này. Họ đã chứng minh độ dẫn điện cao và độ ổn định trong Sillén oxyhalides chứa bismuth với ba lớp giống fluorit (ví dụ, 10 mS/cm ở 431 o C; độ dẫn điện cao hơn 204 lần so với các chất dẫn thông thường ở 310 o C).
Các nhà nghiên cứu của Tokyo Tech đã chứng minh độ dẫn điện cao và độ ổn định trong Sillén oxyhalides chứa bismuth với ba lớp giống fluorit (ví dụ: 10 mS/cm ở 431 o C; độ dẫn điện cao hơn 204 lần so với các chất dẫn thông thường ở 310 o C). Nguồn: Viện Công nghệ Tokyo
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được biết đến với hiệu suất cao và độ an toàn được cải thiện so với các loại pin nhiên liệu khác. Một trong những yếu tố quan trọng trong hiệu suất của SOFC là chất điện phân rắn: chất dẫn ion oxit. Đặc tính điện hóa tuyệt vời của nó làm cho nó trở thành chất điện phân lý tưởng không chỉ cho các ứng dụng SOFC mà còn cho các tế bào điện phân oxit rắn (SOEC), cảm biến và màng tách oxy.
Bất chấp những ưu điểm đáng kể của chất dẫn ion oxit, các chất dẫn ion oxit thường được sử dụng như zirconia ổn định yttria (YSZ) yêu cầu nhiệt độ hoạt động cực cao 1000−700 oC. Trong thời gian dài, nhiệt độ cao như vậy có thể gây bất lợi cho hiệu suất của SOFC. Để ngăn chặn sự xuống cấp, các hợp kim chịu nhiệt đắt tiền được sử dụng, điều này tự động làm tăng chi phí sản xuất SOFC. Ngoài ra, còn thiếu các chất dẫn ion oxit ổn định có độ dẫn điện 10−2 S cm−1 dưới 500 oC.
Để thu hẹp khoảng cách hiện có về chất điện phân ion oxit ổn định với nhiệt độ hoạt động thấp hơn, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), do Giáo sư Masatomo Yashima dẫn đầu, gần đây đã chuyển sự chú ý của họ sang Sillén oxyhalides.
Trong nghiên cứu mới nhất của Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, họ đã tổng hợp một loạt Sillén oxyhalides chứa bismuth (Bi) và nghiên cứu các đặc tính điện và cấu trúc của chúng. Yashima cho biết: “Chúng tôi chọn vật liệu chứa các loại Bi vì chúng được biết là có độ dẫn ion oxit cao. Ngoài ra, vật liệu gốc Sillén oxyhalides có ba lớp giống như fluorit với các vị trí oxy xen kẽ, có thể dẫn đến khuếch tán ion oxit vào kẽ”.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp Sillén oxychloride có công thức phân tử Bi2−xTexLuO4+x/2Cl (x = 0, 0,1 và 0,2).
Các thí nghiệm của nhóm trên Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl cho thấy độ dẫn khối cao 10 mS/cm (= 0,01 Ω−1 cm−1), đây là tiêu chuẩn để sử dụng thực tế trong pin nhiên liệu, ở nhiệt độ thấp hơn nhiều là 431 oC hơn 644 oC của vật liệu thông thường YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia). Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl cũng thể hiện độ dẫn khối cao 1,5 × 10−3 S cm−1 ở nhiệt độ thấp 310 °C, cao hơn 200 lần so với YSZ.
Hành vi này được cho là do năng lượng kích hoạt thấp. Phân tích sâu hơn bằng cách sử dụng các thí nghiệm nhiễu xạ neutron, tính toán DFT và mô phỏng động lực phân tử cho thấy rằng năng lượng kích hoạt thấp và độ dẫn điện cao xuất hiện do sự hiện diện của sự khuếch tán ion oxit xen kẽ trong lớp Sillén oxychloride giống như fluorit.
Ngoài độ dẫn ion oxit tuyệt vời, Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl còn thể hiện độ dẫn điện cao không phụ thuộc vào áp suất riêng phần oxy ở 431 °C, điều này cho thấy sự hiện diện của miền chất điện phân. Nó cũng duy trì độ ổn định hóa học cao dưới dòng CO2 ở 400°C và không khí xung quanh ở 600 và 400°C.
Kết quả của nghiên cứu này đã chứng minh rằng có thể sử dụng ba lớp Sillén oxyhalides giống fluorit để phát triển các chất dẫn ion cao ở nhiệt độ dưới 500°C, giải quyết vấn đề tồn tại lâu dài với các chất dẫn ion oxit. Độ dẫn điện và ion cao cũng như độ ổn định hóa học của Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl có thể mở ra con đường mới cho sự phát triển các chất dẫn ion oxit vượt trội với lớp ba lớp giống fluorit.
"Pin nhiên liệu oxit rắn đang được chấp nhận rộng rãi như là nguồn năng lượng thời đại mới, nhưng chi phí cao do nhiệt độ hoạt động cao. Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển các chất dẫn ion oxit mới, có thể giảm đáng kể nhiệt độ vận hành và giảm chi phí của họ," Yashima kết luận.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
