09.07.2020 - Tokyo Institute of Technology

Neue Hochprotonenleiter mit inhärent sauerstoffarmen Schichten eröffnen eine nachhaltige Zukunft

Protonenleitende Materialien bieten eine Reihe von Vorteilen

In den letzten Jahren sind Brennstoffzellen aufgrund ihrer überlegenen Fähigkeiten zur Speicherung und Produktion von erneuerbarer Energie und sauberem Brennstoff zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der umweltfreundlichen Technologie geworden. Ein typischer Brennstoffzellentyp, der auf dem Vormarsch ist, ist die protonenleitende Brennstoffzelle, die hauptsächlich aus Materialien besteht, durch die sich Wasserstoffionen (Protonen: H+) leicht bewegen können. Protonenleitende Materialien bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber den üblicherweise verwendeten Brennstoffzellen, die Oxid-Ionen-Leiter für Elektrolyte enthalten, wie z.B. höhere Leitfähigkeit bei niedrigen und mittleren Temperaturen, längere Lebensdauer und geringere Kosten.

Es ist jedoch nur eine begrenzte Anzahl solcher Materialien bekannt, und ihre Anwendung zur Entwicklung von Brennstoffzellen ist weitgehend im Labormaßstab geblieben. Um wirklich eine nachhaltige Energiewirtschaft zu erreichen, müssen neue Protonenleiter mit hoher Leitfähigkeit entdeckt werden, die eine kostengünstige und effiziente Skalierung dieser Technologien ermöglichen können.

Wissenschaftler von Tokyo Tech und ANSTO haben sich dieser Notwendigkeit angenommen und in einer kürzlich durchgeführten Studie ein neues protonenleitendes Material identifiziert, das repräsentativ für eine ganze Familie von Protonenleitern sein könnte.

Das fragliche Material hat die chemische Formel Ba5Er2Al2ZrO13 und wird als "hexagonales Perowskit-verwandtes Oxid" klassifiziert. Prof. Masatomo Yashima, der die Studie leitete, erklärt: "Die Protonenleitung in Oxiden erfolgt typischerweise durch das Hüpfen von Protonen zwischen Oxid-Ionen. Daher haben die Kristallstruktur und die lokale Umgebung um die Oxidionen einen enormen Einfluss auf die möglichen Leiterbahnen. Dies erklärt, warum eine hohe Protonenleitfähigkeit nur in einer begrenzten Anzahl von Materialien berichtet wurde."*

Prof. Yashima und sein Team stellten fest, dass die Struktur von Ba5Er2Al2ZrO13 sauerstoffarme Schichten enthält und seine Protonenleitfähigkeit höher ist als die von repräsentativen Protonenleitern, die durch künstliche Einführung von Sauerstoffdefiziten in die Kristallstrukturen bestimmter Materialien erzeugt werden. Sie erkannten, dass dieser inhärente Sauerstoffmangel von Ba5Er2Al2ZrO13 ihm einen bemerkenswerten Vorteil gegenüber herkömmlichen Protonenleitern verschaffen könnte, wodurch ein Hauptproblem bei ihnen beseitigt würde: ihre Instabilität und die Schwierigkeit, zusammensetzungsmäßig homogene Proben zu synthetisieren.

Sie führten eine Reihe von Experimenten durch, um die dieser Eigenschaft zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären. Erste Untersuchungen zeigten, dass die Protonenleitfähigkeit von Ba5Er2Al2ZrO13 bei mittleren und niedrigen Temperaturen hoch ist, was für potenzielle industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Bei weiteren Experimenten stellte sich heraus, dass Wassermoleküle (H2O) in der Luft sich in die sauerstoffarmen Schichten des Kristalls auflösen können, wo der Sauerstoff aus dem Wasser vom Wasserstoff getrennt wird, um mobiles H+ zu erzeugen. Dieses H+ "hüpft dann über Oxidionen" innerhalb der sauerstoffarmen Schichten, wodurch eine hohe Protonenleitfähigkeit ermöglicht wird.

Dieses Phänomen ist nicht auf dieses spezielle Material beschränkt. Das Team synthetisierte andere Materialien mit ähnlichen Strukturen und führte Vorversuche zu ihrer elektrischen Leitfähigkeit durch. Sie fanden vergleichbare Ergebnisse wie bei Ba5Er2Al2ZrO13. Assistent Dr. Taito Murakami, Erstautor der Studie, erklärt: "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die sauerstoffarmen Schichten in hexagonalen Perowskit-verwandten Oxiden ein allgemeiner Strukturblock sein könnten, der eine hohe Protonenleitfähigkeit verleiht. Diese Schichten können in einer Reihe von Oxiden neben Ba5Er2Al2ZrO13 gefunden werden."*

Die Entdeckung einer ganz neuen Reihe von Materialien mit hoher Protonenleitfähigkeit und des Mechanismus ihrer Protonenleitfähigkeit könnte die Forschung auf diesem Gebiet zu neuen Horizonten führen. Dr. James R. Hester von ANSTO, der ebenfalls an der Studie teilgenommen hat, bemerkt: "Unsere Arbeit stellt eine mögliche Strategie zur Entwicklung überlegener Protonenleiter auf der Grundlage der sauerstoffarmen Schichten einiger Perowskit-verwandter Oxide dar."* Diese Arbeit stellt hoffentlich einen Schritt in eine sauberere Zukunft dar.

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