Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Tokyo đã xác định oxit Ba5R2Al2SnO13 liên quan đến perovskite lục giác ( R = kim loại đất hiếm) là vật liệu có độ dẫn proton và độ ổn định nhiệt đặc biệt cao.
Oxit liên quan đến perovskite lục giác mới Ba 5 Er 2 Al 2 SnO 13 có thể mở đường cho sự phát triển của các chất dẫn proton nhanh hơn. Tín dụng: Viện Công nghệ Tokyo
Cấu trúc tinh thể độc đáo của chúng và số lượng lớn các chỗ trống oxy cho phép hydrat hóa hoàn toàn và khuếch tán proton cao, khiến những vật liệu này trở thành ứng cử viên lý tưởng làm chất điện phân cho pin nhiên liệu gốm proton thế hệ tiếp theo có thể hoạt động ở nhiệt độ trung gian mà không bị phân hủy. Nghiên cứu này trình bày một tiến bộ đáng kể trong công nghệ pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn cho năng lượng sạch bằng cách kết hợp hydro và oxy để tạo ra điện, chỉ có nước và nhiệt được tạo ra như các sản phẩm phụ. Chúng bao gồm một cực dương, một cực âm và một chất điện phân. Khí hydro được đưa vào cực dương, tại đó nó phân tách thành proton (H + ) và electron.
Các electron tạo ra dòng điện, trong khi các proton di chuyển qua chất điện phân đến cực âm, tại đó chúng phản ứng với oxy để tạo thành nước. Hầu hết các pin nhiên liệu là pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), sử dụng các chất dẫn ion oxit làm chất điện phân. Tuy nhiên, một thách thức lớn với SOFC là nhiệt độ hoạt động cao cần thiết, dẫn đến sự xuống cấp vật liệu theo thời gian.
Để giải quyết vấn đề này, pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) sử dụng vật liệu gốm dẫn proton làm chất điện phân đang được nghiên cứu. Các pin nhiên liệu này có thể hoạt động ở nhiệt độ trung gian, dễ quản lý hơn là 200–500 °C. Tuy nhiên, việc tìm kiếm vật liệu phù hợp có cả độ dẫn proton cao và độ ổn định hóa học ở các nhiệt độ trung gian này vẫn là một thách thức.
Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ , các nhà nghiên cứu do Giáo sư Masatomo Yashima từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) đứng đầu, hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku, đã có một bước đột phá đáng kể.
Họ đã xác định các oxit liên quan đến perovskite lục giác có tính ổn định về mặt hóa học là Ba 5 R 2 Al 2 SnO 13 (trong đó R biểu thị các kim loại đất hiếm Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm và Yb) là vật liệu điện phân đầy hứa hẹn với độ dẫn proton cao gần 0,01 S cm -1 , cao hơn đáng kể so với các chất dẫn proton khác ở khoảng 300 °C.
"Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát hiện ra một trong những chất dẫn proton tốt nhất trong số các chất dẫn proton bằng gốm: oxit lục giác mới liên quan đến perovskite Ba5Er2Al2SnO13 , đây sẽ là bước đột phá trong quá trình phát triển các chất dẫn proton nhanh", Yashima cho biết.
Độ dẫn proton cao của vật liệu được quy cho sự hydrat hóa hoàn toàn trong vật liệu thiếu oxy cao với cấu trúc tinh thể độc đáo. Cấu trúc có thể được hình dung như một lớp xếp chồng các lớp bát diện và các lớp AO 3–δ (h') lục giác thiếu oxy đóng chặt (A là một cation lớn như Ba 2+ và δ biểu thị lượng chỗ khuyết oxy).
Khi được ngậm nước, các lỗ hổng này sẽ được oxy từ các phân tử nước chiếm giữ hoàn toàn để tạo thành nhóm hydroxyl (OH⁻), giải phóng proton (H + ) di chuyển qua cấu trúc, tăng cường độ dẫn điện.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp Ba 5 Er 2 Al 2 SnO 13 (BEAS) bằng cách sử dụng phản ứng trạng thái rắn. Vật liệu có lượng lớn các chỗ khuyết oxy (δ = 0,2) và thể hiện khả năng hấp thụ nước phân đoạn là 1, cho thấy khả năng hydrat hóa hoàn toàn của nó. Khi được thử nghiệm, độ dẫn điện của nó trong môi trường nitơ ướt cao hơn 2.100 lần so với trong môi trường nitơ khô ở 356 °C. Khi hydrat hóa hoàn toàn, nó đạt được độ dẫn điện là 0,01 S cm -1 ở 303 °C.
Hơn nữa, sự sắp xếp các nguyên tử trong các lớp bát diện cung cấp các đường dẫn cho sự di chuyển của proton, làm tăng thêm độ dẫn proton. Trong các mô phỏng của Ba 5 Er 2 Al 2 SnO 13 ·H 2 O, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chuyển động của proton trong siêu ô 2×2×1 của cấu trúc tinh thể, được biểu diễn bởi Ba 40 Er 16 Al 16 Sn 8 O 112 H 16. Cấu trúc này bao gồm hai lớp h' và hai lớp bát diện. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các proton trong lớp bát diện cho thấy sự di chuyển proton tầm xa, cho thấy sự khuếch tán proton nhanh.
"Độ dẫn proton cao của BEAS là do nồng độ proton và hệ số khuếch tán cao của nó", Yashima giải thích.
Ngoài độ dẫn điện cao, vật liệu này cũng ổn định về mặt hóa học ở nhiệt độ hoạt động của PCFC. Khi ủ vật liệu trong môi trường ẩm của oxy, không khí, hydro và CO2 ở nhiệt độ 600 °C, các nhà nghiên cứu không thấy có thay đổi nào về thành phần và cấu trúc của vật liệu, cho thấy tính ổn định mạnh mẽ và phù hợp để hoạt động liên tục mà không bị phân hủy.
"Những phát hiện này mở ra những hướng đi mới cho các chất dẫn proton. Độ dẫn proton cao thông qua quá trình hydrat hóa hoàn toàn và sự di chuyển proton nhanh trong các lớp bát diện trong các vật liệu liên quan đến perovskite lục giác thiếu oxy cao sẽ là một chiến lược hiệu quả để phát triển các chất dẫn proton thế hệ tiếp theo", Yashima cho biết. Với các đặc tính đặc biệt của mình, vật liệu này có thể dẫn đến các pin nhiên liệu hiệu quả, bền và nhiệt độ thấp hơn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
