Under de senaste åren, bränsleceller har blivit en fokuspunkt för forskning inom miljövänlig teknik på grund av deras överlägsna förmågor att lagra och producera förnybar energi och rent bränsle. En typisk typ av bränslecell som vinner mark är den protonledande bränslecellen, som främst är tillverkat av material genom vilka vätejoner (protoner:H ⁺ ), kan enkelt röra sig. Protonledande material ger ett antal fördelar jämfört med vanliga bränsleceller som består av oxid-jonledare för elektrolyter, såsom högre konduktivitet vid låga och mellantemperaturer, längre livslängd, och lägre kostnader.

Dock, endast ett begränsat antal sådana material är kända och deras tillämpning på utveckling av bränsleceller har i stort sett förblivit i laboratorieskala. För att verkligen uppnå en hållbar energiekonomi, nya protonledare med hög konduktivitet måste upptäckas som kan möjliggöra låg kostnad och effektiv uppskalning av dessa tekniker.

Forskare från Tokyo Tech och ANSTO gav sig ut för att möta detta behov, och i en ny studie, identifierat ett nytt protonledande material som kan vara representant för en hel familj av protonkonduktorer.

Materialet i fråga har den kemiska formeln Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ och klassificeras som en "sexkantig perovskitrelaterad oxid". Prof Masatomo Yashima, som ledde studien, förklarar:"Protonledning i oxider sker vanligtvis genom att protoner hoppar mellan oxidjoner. Därför, kristallstrukturen och den lokala miljön kring oxidjoner har en enorm inverkan på de möjliga ledande vägarna. Detta förklarar varför hög protonkonduktivitet har rapporterats i endast ett begränsat antal material. "

Prof Yashima och hans team noterade att Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ innehåller syrebristande lager och dess protonkonduktivitet är högre än representativa protonledare, som skapas genom att artificiellt införa syrebrister i kristallstrukturerna hos vissa material. De insåg att denna inneboende syrebrist av Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ skulle kunna ge den en anmärkningsvärd fördel jämfört med konventionella protonledare, eliminera ett stort problem i dem:deras instabilitet och svårigheten att syntetisera sammansatta homogena prover.

De genomförde en rad experiment för att belysa mekanismerna bakom denna egenskap. Inledande undersökningar visade att protonkonduktiviteten för Ba5Er2Al2ZrO13 är hög vid mellanliggande och låga temperaturer som är avgörande för potentiella industriella tillämpningar. Vid ytterligare experiment, det visade sig att vattenmolekyler (H2O) i luft kan lösas upp i de syrebristande skikten i kristallen, där syret från vattnet separeras från väte för att producera mobilt H+. Dessa H+ "hoppar sedan över oxidjoner" i de syrebristande skikten, möjliggör hög protonkonduktivitet.

Detta fenomen är inte begränsat till just detta material. Teamet syntetiserade andra material med liknande strukturer och genomförde preliminära tester av deras elektriska konduktivitet. De hittade jämförbara resultat med de för Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . Assistent Dr Taito Murakami, första författaren till studien, förklarar:"Våra resultat tyder på att de syrebristande skikten i hexagonala perovskitrelaterade oxider kan vara ett generellt strukturblock som ger hög protonkonduktivitet. Dessa lager finns i ett antal oxider förutom Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . "

Denna upptäckt av ett helt nytt sortiment av inneboende höga protonledande material, och mekanismen för deras protonkonduktivitet, kunde ta forskningen inom detta område till nya horisonter. Dr James R. Hester från ANSTO, som också deltog i studien, anmärkningar:"Vårt arbete presenterar en potentiell strategi för att designa överlägsna protonkonduktorer baserat på syrebristande skikt av några perovskitrelaterade oxider." Detta arbete representerar förhoppningsvis ett steg mot en renare framtid.