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 организацией исследования 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».