Un nuevo estudio presenta un gran avance en la tecnología de pilas de combustible. Los investigadores de Tokyo Tech identificaron un BA hexagonal a base de perovskita.5R2Alabama2Número de serie13 óxidos (R = metal de tierras raras) como materiales con una conductividad de protones y estabilidad térmica inusualmente altas. Su estructura cristalina única y su gran cantidad de vacantes de oxígeno permiten una hidratación completa y una alta difusión de protones, lo que convierte a estos materiales en candidatos ideales como electrolitos para celdas de combustible cerámicas protónicas de próxima generación que pueden funcionar a temperaturas intermedias.
Las pilas de combustible ofrecen una solución prometedora para la energía limpia al combinar hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, produciendo sólo agua y calor como subproductos. Consisten en un ánodo, un cátodo y un electrolito. El gas hidrógeno se introduce en el ánodo donde reacciona con los protones (H+) y electrones. Los electrones crean una corriente eléctrica, mientras que los protones migran a través del electrolito hasta el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno para formar agua. La mayoría de las pilas de combustible son pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que utilizan conductores de iones de óxido como electrolitos. Sin embargo, un desafío importante con las SOFC es la alta temperatura de funcionamiento requerida, lo que provoca la degradación del material con el tiempo. Para abordar esto, se están explorando celdas de combustible cerámicas protónicas (PCFC) que utilizan materiales cerámicos conductores de protones como electrolitos. Estas pilas de combustible pueden funcionar a temperaturas intermedias y más manejables, de 200 a 500 °C. Sin embargo, encontrar materiales adecuados que presenten una alta conductividad de protones y estabilidad química a estas temperaturas intermedias sigue siendo un desafío.
En un estudio publicado en Revista de la Sociedad Química EstadounidenseLos investigadores dirigidos por el profesor Masatomo Yashima del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) en colaboración con investigadores de la Universidad de Tohoku han logrado un gran avance. Identificaron óxidos relacionados con la perovskita hexagonal químicamente estables.5R2Alabama2Número de serie13 (Dónde R (metales de tierras raras Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm e Yb) representan un material electrolítico prometedor con una alta conductividad de protones de aproximadamente 0,01 S cm⁻¹, que es significativamente mayor que la de otros 300 conductores de protones. más. ohC.
“En este trabajo, hemos descubierto uno de los conductores de protones más prometedores entre los conductores de protones cerámicos: el nuevo óxido hexagonal Ba relacionado con la perovskita.5Es2Alabama2Número de serie13lo que supondrá un gran avance para el desarrollo de conductores rápidos de protones”, afirma Yashima.
La alta conductividad de protones del material se atribuye a la hidratación completa en un material muy deficiente en oxígeno con una estructura cristalina única. La estructura se puede visualizar como un apilamiento hexagonal de capas octaédricas con deficiencia de oxígeno. OhOh3–d(h’) capas (Oh Un catión grande como Ba²⁺ y d representa la cantidad de vacantes de oxígeno). Cuando se hidratan, estas vacantes son completamente ocupadas por el oxígeno de las moléculas de agua para formar grupos hidroxilo (OH⁻), liberando protones (H⁺) que se mueven a través de la estructura, aumentando la conductividad.
En su estudio, los investigadores sintetizaron B.A.5Es2Alabama2Número de serie13 (BEAS) utilizando reacciones de estado sólido. El material contenía grandes cantidades de vacantes de oxígeno (d = 0,2) y exhibió un contenido de agua parcial de 1, lo que indica su capacidad de hidratación completa. Cuando se probó, se encontró que su conductividad en una atmósfera húmeda de nitrógeno a 356 °C era 2100 veces mayor que en una atmósfera seca de nitrógeno. Cuando está completamente hidratado, tiene una conductividad de 0,01 S cm⁻¹ a 303 °C.
Además, la disposición de los átomos en capas octaédricas proporciona vías para la migración de protones, lo que aumenta aún más la conductividad de los protones. A imitación de Ba5Es2Alabama2Número de serie13·H2O, los investigadores estudiaron el movimiento de protones en la supercélula 2×2×1 de la estructura cristalina, representada por B.A.40EsdieciséisAlabamadieciséissn8Oh112hdieciséis. La estructura constaba de dos capas H y dos capas octaédricas. Los investigadores descubrieron que los protones en la capa octaédrica mostraban una transferencia de protones de largo alcance, lo que indica una rápida difusión de protones.
“La alta conductividad de protones de BEAS se atribuye a su alta concentración de protones y coeficiente de difusión”, explica Yashima.
Además de su alta conductividad, el material también es químicamente estable a las temperaturas de funcionamiento del PCFC. Al recocer el material bajo una atmósfera húmeda de oxígeno, aire, hidrógeno y CO2 A 600 °C, los investigadores no observaron cambios en su estructura y composición, lo que indica la gran estabilidad del material y su idoneidad para un funcionamiento continuo sin degradación.
“Estos resultados abren nuevas vías para los conductores de protones. La alta conductividad de los protones a través de una hidratación completa y una rápida transferencia de protones en materiales relacionados con la perovskita hexagonal deficiente en oxígeno será una estrategia eficaz para desarrollar conductores de protones de próxima generación”. . Con sus propiedades excepcionales, este material podría dar lugar a pilas de combustible eficientes, duraderas y de baja temperatura.
