Снижение рабочей температуры до «промежуточного» диапазона 300-500 ° C, по сути, позволит использовать недорогие материалы и ускорит запуск, что, в свою очередь, может привести к более широкому коммерческому использованию и применению. к мобильному источнику питания.Группа исследователей из Университета Тохоку в Японии разработала новую идею по улучшению протонной проводимости в протонных проводниках типа перовскита, легированных редкоземельными элементами BaZrO3. BaZrO3, легированный редкоземельными элементами, является многообещающим материалом-кандидатом для промежуточных температурных ТОТЭ.
Однако для практического использования требуется дальнейшее улучшение протонной проводимости.В журнале Chemistry of Materials на основе публикаций ACS исследователи предлагают стратегию улучшения подвижности протонов путем управления кислородными вакансиями, а также протонами.
Известно, что протоны «захватываются» вокруг редкоземельного элемента в легированном BaZrO3, что снижает протонную проводимость. Этот захват протонов происходит из-за электростатического притягивающего взаимодействия между отрицательно заряженным редкоземельным элементом и положительно заряженным протоном.
Однако, когда в материале создается пара редкоземельного элемента и кислородной вакансии, эта пара обладает положительным суммарным зарядом и, следовательно, препятствует захвату протонов из-за электростатического отталкивающего взаимодействия.Развивая эту идею, команда прояснила распределение протонов и кислородных вакансий в BaZrO3, легированном Sc, объединив спектроскопию ядерного магнитного резонанса и термогравиметрический анализ. Когда в материале существует определенное количество кислородных вакансий (4 мол.%), Концентрация протонов вокруг Zr выше, чем вокруг редкоземельного элемента, что указывает на то, что протоны с меньшим влиянием захватывающих эффектов редкоземельного элемента (рис. . 1).«Поскольку притягивающее взаимодействие между редкоземельным элементом и протонами вызывает захват протонов, введение другого дефекта с положительным зарядом, то есть кислородной вакансии, по-видимому, освобождает захваченные протоны», — сказал Хитоши Такамура, руководивший исследованием. в университете Тохоку.
Он и его коллеги выяснили, что взаимодействие между редкоземельным элементом и кислородной вакансией действительно предотвращает захват протонов.«Эта идея может быть применена не только к разработке ионных проводников, но и к другим материалам, таким как флуоресцентные и каталитические материалы, поскольку взаимодействие дефектов играет важную роль в этих материалах», — сказал Такамура. «Если распространение дефектов станет управляемым, мы сможем разработать различные функциональные материалы.
Это наша цель этого исследования».