解决下一代燃料电池质子传导钙钛矿的问题

发布时间：2024-07-08 16:08:44 栏目：生活

导读 东京工业大学的科学家报告称，作为一种新开发的具有大量内在氧空位的钙钛矿，BaSc 0.8 W 0.2 O 2.8在低温和中温下实现了高质子传导。...

东京工业大学的科学家报告称，作为一种新开发的具有大量内在氧空位的钙钛矿，BaSc 0.8 W 0.2 O 2.8在低温和中温下实现了高质子传导。通过大量 W 6+的施主掺杂，该材料可以吸收更多的水来增加其质子浓度，并通过掺杂剂和质子之间的静电排斥减少质子捕获。这些发现可以为质子陶瓷燃料电池 (PCFC) 和电解电池 (PCEC) 的新型钙钛矿的合理设计铺平道路。



随着全球致力于发展清洁能源技术，燃料电池可能很快会成为将以氢或其他燃料形式储存的化学能转化为电能的必不可少的工具。在正在积极研究的各种类型的燃料电池中，使用固体电解质而非液体电解质的燃料电池具有固有的安全性和稳定性优势。

质子陶瓷燃料电池 (PCFC) 尤其受到科学家的关注。这些装置不是通过氧离子 (O 2− ) 传导，而是通过价数较小的轻质子 (H + ) 传导。PCFC 的一个关键特性是它们能够在 50-500 °C 的低温和中温范围内工作。然而，迄今为止报道的基于钙钛矿电解质的 PCFC 在低温和中温下存在质子传导率低的问题。

在最近的一项研究中，由东京工业大学 (Tokyo Tech) 的 Masamoto Yashima 教授领导的研究小组与高能加速器研究组织 (KEK) 合作，着手解决钙钛矿基质子导体的这一局限性。他们的研究成果于 2024 年 5 月 3 日发表在《材料化学 A 杂志》上。

但为什么传统钙钛矿型质子导体的导电性如此之低呢?“传统质子导体的一个主要问题是一种称为质子捕获的现象，其中质子通过掺杂剂和质子之间的静电吸引力被受体掺杂剂捕获，”Yashima 解释道。“这种质子导体的另一个主要问题是由于氧空位量少导致质子浓度低。”

为了解决这些问题，研究人员开发了一种高度缺氧的钙钛矿，即掺杂有 W 6+阳离子的 BaScO 2.5 ，或 BaSc 0.8 W 0.2 O 2.8 。由于其大量的氧空位，这种材料的质子浓度高于其他质子传导钙钛矿。然而，由于质子跳跃发生在氧原子之间，氧空位会降低质子传导率，而不是提高质子传导率。

这个问题通过钙钛矿的充分水合得到解决，将其转化为 BaSc 0.8 W 0.2 O 3 H 0.4。由于 W 6+掺杂剂的尺寸较大，钙钛矿具有较大的晶格体积，这意味着它可以比掺杂其他阳离子(例如小 Mo 6+ )的水分子吸收更多的水分子。高吸水性通过进一步提高质子浓度促进了高质子传导性。

至于质子捕获，W 6+掺杂剂的高正电荷导致与同样带正电荷的质子的更强排斥力。这种效应通过从头算分子动力学模拟得到证实，该模拟揭示了质子在穿过材料时在 Sc 阳离子附近的迁移路径。排斥力表明 W 6+掺杂剂对质子的捕获减少，从而导致低温和中温下的高质子电导率。

总的来说，这项研究提供的见解有助于建立质子传导钙钛矿的基本设计原则。Yashima 表示：“通过掺杂大量供体掺杂剂，稳定无序固有氧空位和完全水合的钙钛矿可能是实现下一代质子导体的有效策略。”

除了 PCFC 之外，质子导体也是质子传导电解池 (PCEC) 所必需的，它可以高效利用电力。随着我们共同努力通过新型质子导体实现可持续发展，这两项技术在不久的将来都将必不可少。

总的来说，目前的发现可能为实现清洁能源社会开辟新的途径。