I denna post-industrialiseringsålder, el har blivit ryggraden i vårt samhälle. Dock, Att använda fossila bränslen för att generera det är inte det bästa alternativet på grund av deras begränsade tillgänglighet och skadliga natur. Under de senaste två decennierna har betydande ansträngningar har gjorts för att utveckla tekniker för att främja hållbar energi. Mot denna bakgrund, fasta oxidbränsleceller (SOFC) har stigit som ett rent och mycket effektivt alternativ som kan generera elektrisk energi. Dock, en stor nackdel med SOFC är deras höga driftstemperaturer, begränsa deras utbredda användning.

Olika tidigare studier har försökt att övervinna denna nackdel genom att förbättra konduktiviteten vid höga temperaturer med hjälp av oxider av fluortyp som CeO _2-δ . I vanliga fall, dessa fluoritoxider är tillgängliga i porös form, och deras ledningsmekanism tros vara beroende av ytadsorptionen av vattenmolekyler, vilket är processen för vidhäftning av atomer eller molekyler till en yta.

Ett team av forskare från Tokyo University of Science, ledd av Dr. Tohru Higuchi, tog denna forskning ett steg framåt. I sin nya studie publicerad i Nanoskala forskningsbrev , forskarna undersökte effekten av "dopning, "vilket är processen att tillsätta föroreningar för att ändra deras konduktivitet, på dessa oxider, som är en mycket bra kandidat för SOFC. Forskare "dopade" oxiden med en metall som heter Samarium (Sm). Sedan, de avsatte tunna filmer av denna dopade oxid på ett substrat av aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) i en specifik riktning känd för att förbättra konduktiviteten. Dr Higuchi anser att detta är en fördel, anger, "När man överväger praktiska enheter, tunnfilmsformer är mer lämpliga än porösa eller nanokristallina former. "

Sedan, forskargruppen präglade den kristallina kvaliteten och den elektroniska strukturen hos den nya filmen. De jämförde också skillnaden i konduktivitet mellan denna nya film och tjocka keramiska oxider som vanligtvis används i industrin. Deras fynd avslöjade att det keramiska provet uppvisade dålig kristallinitet och hade dålig protonkonduktivitet jämfört med tunnfilmsprovet.

Vad mer, "resistiviteten" - eller motståndet mot elektrisk flöde - för den tunna filmen visade sig minska med ökande luftfuktighet på grund av "protonkonduktion" i oxider av fluorit, som förklaras av Grotthuss -mekanismen. En vattenmolekyl består av två syreatomer och en väteatom. Vattenmolekylerna har bindningar mellan dem, kallas "vätebindningar". Grotthuss-mekanismen (eller "hop-turn" -mekanismen) gör att vattenmolekylerna kan delas upp i joner som ökar konduktiviteten, och därför flyttar de från en vätebindning till en annan. Den nya filmen visade sig uppvisa ytprotonisk ledning i lågtemperaturområdet under 100 ° C.

Denna nya film, med sin höga konduktivitet vid rumstemperatur, kommer säkert att ha flera applikationer i framtiden. När det gäller SOFC:er, Dr Higuchi avslutar, "Vår studie om elektrolytmembran presenterar radikala fynd som kan hjälpa till att sänka driftstemperaturen för SOFC, och kan vara ett alternativt system för att göra mer praktiska apparater som använder oxider av fluortyp i SOFC, och öppna upp nya vägar för kärnkrafts- och värmekraftproduktion i framtiden. "