Làm sáng tỏ cơ chế dẫn proton cao để phát triển vật liệu năng lượng sạch
bởi Học viện Công nghệ Tokyo
Ảnh: Công nghệ Tokyo
Các thiết bị điện hóa như pin nhiên liệu đang trở nên không thể thiếu đối với các công nghệ phát điện mới vì chúng có thể sản xuất năng lượng tái tạo một cách hiệu quả. Dây dẫn proton gốm có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm pin nhiên liệu gốm proton (PCFC), máy bơm hydro, cảm biến và màng ngăn cách. Đặc biệt, PCFC dựa trên chất dẫn proton bằng gốm rất hứa hẹn, vì chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với pin nhiên liệu oxit rắn thông thường (SOFC), nhờ tính dẫn điện cao hơn của proton ở nhiệt độ thấp.
Tuy nhiên, chất dẫn proton bằng sứ thông thường phải đối mặt với một vấn đề: Để thể hiện đủ độ dẫn proton, chúng cần có các khoảng trống oxy cho phép kết hợp nước. Trong hầu hết các trường hợp, các vị trí tuyển dụng được tạo ra thông qua thay thế hóa học, đây thường là một quá trình khó khăn.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Masatomo Yashima thuộc Khoa Hóa học của Công nghệ Tokyo đứng đầu đã khám phá ra các oxit liên quan đến perovskite lục giác dẫn proton thay thế. Cấu trúc tinh thể của các oxit này chứa các lớp thiếu oxy về bản chất, cho phép độ dẫn proton cao mà không cần thay thế hóa học. Tuy nhiên, cơ chế dẫn truyền của chúng vẫn chưa rõ ràng.
Để làm sáng tỏ điều này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Yashima đứng đầu mới đây đã phân tích và so sánh ba loại oxit: β-Ba2ScAlO5, α-Ba2Sc0.83Al1.17O5 và BaAl2O4. Các lớp thiếu oxit của cả ba oxit này có kiểu xếp chồng khác nhau. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mặc dù β-Ba2ScAlO5 có độ dẫn proton cao, nhưng α-Ba2Sc0,83Al1.17O5 và BaAl2O4 có liên quan về mặt cấu trúc lại có độ dẫn điện thấp hơn nhiều.
Kết quả của nhóm đã được xuất bản trong Tài liệu chức năng nâng cao.
Giáo sư Yashima giải thích ngắn gọn về cấu trúc tinh thể của β-Ba2ScAlO5: "Nó bao gồm các lớp bát diện kép được ngăn cách bởi các lớp tứ diện kép. Lớp thứ hai có các lớp BaO (h') lục giác vốn thiếu oxy về bản chất. Vai trò của chúng trong việc dẫn proton có đã được khám phá thông qua các phương pháp khác nhau."
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng độ dẫn ion của β-Ba2ScAlO5 cao hơn nhiều lần (ví dụ: 31 lần) trong điều kiện ẩm ướt so với trong không khí khô. Điều này là do vật liệu hấp thụ nước từ không khí ẩm ướt, dẫn đến nồng độ proton và độ dẫn điện cao hơn. Độ dẫn điện của proton được phát hiện là cao tới 10−3 S cm‒1 trên 300 °C—một giá trị có thể so sánh với giá trị của các chất dẫn điện thay thế hóa học thông thường.
Các tính toán lý thuyết chức năng mật độ và năng lượng dựa trên hóa trị liên kết cho thấy rằng sự hấp thụ nước này xảy ra trong các lớp h' của oxit. Ngoài ra, các mô phỏng động lực học phân tử ab initio cho thấy rằng các lớp này hoạt động như các nguồn dự trữ, cung cấp các proton di chuyển thông qua quá trình khuếch tán tầm xa trong các lớp bát diện kép. Hiện tượng này dẫn đến độ dẫn proton cao của β-Ba2ScAlO5.
Ngược lại, BaAl2O4 có độ dẫn điện thấp hơn nhiều do hút nước ít hơn, độ linh động của proton thấp và không có các lớp bát diện. Những quan sát này xác nhận thêm vai trò quan trọng của cả hai lớp bát diện và thiếu oxy trong quá trình dẫn proton.
"Nghiên cứu này là một ví dụ tuyệt vời về việc giải quyết các vấn đề nghiên cứu phức tạp thông qua hợp tác và thể hiện khả năng cũng như kiến thức chuyên môn của ANSTO về tán xạ neutron và điện toán khoa học. Máy đo nhiễu xạ Echidna tại lò phản ứng OPAL được sử dụng để làm sáng tỏ cấu trúc tinh thể và mô phỏng động lực phân tử cũng được thực hiện tại ANSTO về cơ chế dẫn proton," Giáo sư Max Avdeev của ANSTO cho biết.
Giáo sư Yashima thảo luận về tiềm năng trong tương lai của nghiên cứu của nhóm: "Kết quả của chúng tôi đưa ra một chiến lược thiết kế các oxit liên quan đến perovskite hình lục giác ưu việt với các lớp bát diện và các lớp thiếu oxy nội tại. Kết hợp các lớp này với các vai trò khác nhau có thể tạo ra các chất dẫn điện proton cao cấp cho năng lượng tái tạo thiết bị sản xuất và lưu trữ."
