Giải quyết vấn đề perovskite dẫn proton cho pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo
bởi Viện Công nghệ Tokyo
Những chiến lược mới này sẽ hỗ trợ phát triển perovskite cho công nghệ xúc tác và năng lượng bền vững. Nguồn: Viện Công nghệ Tokyo
Theo báo cáo của các nhà khoa học tại Tokyo Tech, là một loại perovskite mới được phát triển với lượng lớn chỗ trống oxy nội tại, BaSc0.8W0.2O2.8 đạt được khả năng dẫn proton cao ở nhiệt độ thấp và trung bình.
Bằng cách pha tạp chất cho W6+ lớn, vật liệu này có thể chiếm nhiều nước hơn để tăng nồng độ proton của nó, cũng như giảm bẫy proton thông qua lực đẩy tĩnh điện giữa chất pha tạp và proton. Những phát hiện này có thể mở đường cho việc thiết kế hợp lý các perovskite mới cho pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) và pin điện phân (PCEC).
Cùng với những nỗ lực toàn cầu hướng tới công nghệ năng lượng sạch hơn, pin nhiên liệu có thể sớm trở thành công cụ không thể thiếu để chuyển đổi năng lượng hóa học—được lưu trữ dưới dạng hydro hoặc nhiên liệu khác—thành năng lượng điện. Trong số các loại pin nhiên liệu khác nhau đang được tích cực nghiên cứu, những loại sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng có lợi thế về độ an toàn và ổn định vốn có.
Đặc biệt, pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Các thiết bị này không hoạt động thông qua sự dẫn truyền của các ion oxit (O2−) mà là các proton nhẹ (H+) có hóa trị nhỏ hơn. Đặc điểm chính của PCFC là khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp và trung bình trong khoảng 50–500 °C. Tuy nhiên, PCFC dựa trên chất điện phân perovskite được báo cáo cho đến nay có độ dẫn proton thấp ở nhiệt độ thấp và trung bình.
Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Masamoto Yashima từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) dẫn đầu, phối hợp với Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao (KEK), đã đặt ra mục tiêu giải quyết hạn chế này của chất dẫn proton dựa trên perovskite. Phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A vào ngày 3 tháng 5 năm 2024.
Nhưng tại sao độ dẫn điện của chất dẫn proton loại perovskite thông thường lại thấp đến vậy? Yashima giải thích: “Vấn đề lớn với các chất dẫn proton thông thường là hiện tượng gọi là bẫy proton, trong đó proton bị giữ lại bởi chất dẫn proton thông qua lực hút tĩnh điện giữa chất pha tạp và proton”. “Một vấn đề lớn khác trong số các chất dẫn proton như vậy cũng là nồng độ proton thấp do lượng khuyết oxy còn trống rất nhỏ.”
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại perovskite rất thiếu oxy, cụ thể là BaScO2.5 pha tạp các cation W6+ hoặc BaSc0.8W0.2O2.8 . Nhờ có lượng khuyết oxy lớn, vật liệu này có nồng độ proton cao hơn các perovskite dẫn proton khác. Tuy nhiên, vì sự nhảy vọt của proton xảy ra giữa các nguyên tử oxy, nên các chỗ trống oxy sẽ làm giảm độ dẫn của proton hơn là tăng nó.
Vấn đề này đã được giải quyết bằng cách hydrat hóa hoàn toàn perovskite, biến nó thành BaSc0.8W0.2O3H0.4. Do kích thước lớn của chất dopant W6+, nên perovskite có thể tích mạng lớn hơn, nghĩa là nó có thể hấp thụ nhiều phân tử nước hơn so với những phân tử được pha tạp với các cation khác như Mo6+ nhỏ. Sự hấp thụ nước cao tạo điều kiện cho độ dẫn proton cao bằng cách tăng thêm nồng độ proton.
Đối với việc bẫy proton, điện tích dương cao của chất dopant W6+ dẫn đến lực đẩy mạnh hơn với các proton, vốn cũng mang điện tích dương. Hiệu ứng này đã được xác nhận thông qua các mô phỏng động lực phân tử ban đầu, cho thấy đường di chuyển của các proton gần cation Sc khi vận chuyển qua vật liệu. Lực đẩy cho thấy khả năng bẫy proton giảm do chất pha tạp W6+, dẫn đến độ dẫn proton cao ở nhiệt độ thấp và trung bình.
Tổng hợp lại, những hiểu biết sâu sắc mà nghiên cứu này cung cấp có thể giúp thiết lập các nguyên tắc thiết kế cơ bản cho perovskite dẫn proton.
Yashima cho biết: “Việc ổn định perovskites với các chỗ trống oxy nội tại bị rối loạn và quá trình hydrat hóa hoàn toàn được kích hoạt bằng cách pha tạp chất dẫn điện lớn có thể là một chiến lược hiệu quả đối với các chất dẫn proton thế hệ tiếp theo”.
Ngoài PCFC, chất dẫn proton cũng cần thiết trong tế bào điện phân dẫn proton (PCEC), loại tế bào này có thể sử dụng điện một cách hiệu quả. Cả hai công nghệ này sẽ rất cần thiết trong tương lai gần khi chúng ta cùng nhau nỗ lực hướng tới sự bền vững thông qua các chất dẫn proton mới.
