Neuer Protonenleiter für next

Dec 11, 2023

Wissenschaftler von Tokyo Tech haben Ba2LuAlO5 als vielversprechenden Protonenleiter für protonische Keramikbrennstoffzellen entdeckt. Das Oxid weist Protonenleitfähigkeiten von 10−2 S cm−1 bei 487 °C und 1,5 × 10−3 S cm−1 bei 232 °C, hohe Diffusionsfähigkeit und hohe chemische Stabilität ohne chemische Dotierung auf. Diese neuen Erkenntnisse könnten den Weg zu sichereren und effizienteren Energietechnologien ebnen.

Ein Open-Access-Artikel zu der Arbeit ist in Communications Materials veröffentlicht.

Ba2LuAlO5 ist ein hexagonales Perowskit-ähnliches Oxid mit hexagonal dicht gepackten h′-Schichten mit hohem Sauerstoffmangel, das eine große Wasseraufnahme x = 0,50 in Ba2LuAlO5·x H2O ermöglicht. Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen und Neutronenbeugung zeigen die Hydratation in der h′-Schicht und die Protonenwanderung hauptsächlich um kubisch dicht gepackte c-Schichten herum, die an der Grenzfläche oktaedrischer LuO6-Schichten vorhanden sind. Diese Ergebnisse zeigen, dass die hohe Protonenleitung, die durch die stark sauerstoffarmen und kubisch dicht gepackten Schichten ermöglicht wird, eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung leistungsstarker Protonenleiter ist.

Typische Brennstoffzellen auf Festoxidbasis haben den entscheidenden Nachteil, dass sie bei hohen Temperaturen, meist über 700 °C, arbeiten. Aus diesem Grund haben sich viele Wissenschaftler stattdessen auf protonische keramische Brennstoffzellen (PCFCs) konzentriert. Diese Zellen verwenden spezielle Keramiken, die Protonen (H+) anstelle von Oxidanionen (O2−) leiten. Dank einer deutlich niedrigeren Betriebstemperatur im Bereich von 300 bis 600 °C können PCFCs im Vergleich zu den meisten anderen Brennstoffzellen eine stabile Energieversorgung zu geringeren Kosten gewährleisten. Leider sind derzeit nur wenige protonenleitende Materialien mit angemessener Leistung bekannt, was den Fortschritt auf diesem Gebiet verlangsamt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein Forscherteam, darunter Professor Masatomo Yashima vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in Japan, nach guten Protonenleiterkandidaten für PCFCs gesucht.

Prof. Yashima und Kollegen entdeckten Ba2LuAlO5, während sie sich auf die Suche nach Verbindungen mit vielen intrinsischen Sauerstoffleerstellen konzentrierten. Dies wurde durch die Ergebnisse früherer Studien motiviert, die die Bedeutung dieser Leerstellen für die Protonenleitung hervorhoben.

Durch Molekulardynamiksimulationen und Neutronenbeugungsmessungen erfuhren sie zwei wichtige Eigenschaften von Ba2LuAlO5. Das erste ist, dass dieses Oxid im Vergleich zu anderen ähnlichen Materialien viel Wasser (H2O) absorbiert und so Ba2LuAlO5.0.5H2O bildet. Diese große Wasseraufnahme, die innerhalb zweier gegenüberliegender Schichten von AlO4-Tetraedern stattfindet, wird durch eine große Anzahl intrinsischer Sauerstofffehlstellen in den hexagonal dicht gepackten h´BaO-Schichten ermöglicht. Der höhere Wassergehalt des Oxids wiederum erhöht seine Protonenleitfähigkeit durch verschiedene Mechanismen, wie z. B. eine höhere Protonenkonzentration und ein verstärktes Protonen-Hopping.

Das zweite wichtige Merkmal hängt damit zusammen, wie sich Protonen durch Ba2LuAlO5 bewegen. Simulationen ergaben, dass Protonen hauptsächlich entlang der Grenzflächen der LuO6-Schichten diffundieren, die kubisch dicht gepackte c-BaO3-Schichten bilden, und nicht durch die AlO4-Schichten. Diese Informationen könnten bei der Suche nach anderen protonenleitenden Materialien von entscheidender Bedeutung sein.

Die Forscher erwarten, in kommenden Studien weitere protonenleitende Materialien auf Basis von Ba2LuAlO5 zu finden.

Durch die Modifizierung der chemischen Zusammensetzung von Ba2LuAlO5 sind weitere Verbesserungen der Protonenleitfähigkeit zu erwarten. Beispielsweise kann auch das Perowskit-ähnliche Oxid Ba2LuAlO5 eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, da seine Struktur der von Ba2LuAlO5 sehr ähnlich ist.

Ressourcen

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu und Masatomo Yashima (2023) „High Proton Conduction in Ba2LuAlO5 with Highly Oxygen Deficient Layers“ Kommunikationsmaterialien doi: 10.1038/s43246-023-00364-5

Gepostet am 07. Juni 2023 in Brennstoffzellen, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (0)