Novo condutor de prótons para o próximo

Dec 11, 2023

Cientistas da Tokyo Tech descobriram Ba2LuAlO5 como um promissor condutor de prótons para células de combustível de cerâmica protônica. O óxido exibe condutividade de prótons de 10−2 S cm−1 a 487 °C e 1,5 × 10−3 S cm−1 a 232 °C, alta difusividade e alta estabilidade química sem dopagem química. Esses novos insights podem abrir caminho para tecnologias de energia mais seguras e eficientes.

Um artigo de acesso aberto sobre o trabalho foi publicado na Communications Materials.

Ba2LuAlO5 é um óxido hexagonal relacionado à perovskita com camadas h' hexagonais compactas altamente deficientes em oxigênio, o que permite uma grande quantidade de absorção de água x = 0,50 em Ba2LuAlO5·x H2O. Simulações de dinâmica molecular ab initio e difração de nêutrons mostram a hidratação na camada h' e a migração de prótons principalmente em torno de camadas c cúbicas densamente compactadas existentes na interface das camadas octaédricas de LuO6. Esses resultados demonstram que a alta condução de prótons permitida pelas camadas cúbicas e altamente deficientes em oxigênio é uma estratégia promissora para o desenvolvimento de condutores de prótons de alto desempenho.

Células de combustível típicas baseadas em óxidos sólidos têm uma desvantagem notável, pois operam em altas temperaturas, geralmente acima de 700 °C. É por isso que muitos cientistas se concentraram em células de combustível de cerâmica protônica (PCFCs). Essas células usam cerâmicas especiais que conduzem prótons (H+) em vez de ânions óxidos (O2−). Graças a uma temperatura operacional muito mais baixa na faixa de 300 a 600 °C, as PCFCs podem garantir um fornecimento de energia estável a um custo menor, em comparação com a maioria das outras células de combustível. Infelizmente, apenas alguns materiais condutores de prótons com desempenho razoável são conhecidos atualmente, o que está retardando o progresso neste campo.

Para enfrentar esse desafio, uma equipe de pesquisadores, incluindo o professor Masatomo Yashima, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) no Japão, está à procura de bons candidatos a condutores de prótons para PCFCs.

O Prof. Yashima e seus colegas descobriram o Ba2LuAlO5 enquanto se concentravam em encontrar compostos com muitas lacunas intrínsecas de oxigênio. Isso foi motivado pelos resultados de estudos anteriores destacando a importância dessas vagas na condução de prótons.

Por meio de simulações de dinâmica molecular e medições de difração de nêutrons, eles aprenderam duas características importantes do Ba2LuAlO5. A primeira é que esse óxido absorve muita água (H2O), em comparação com outros materiais similares, para formar Ba2LuAlO5.0.5H2O. Esta grande absorção de água, que ocorre dentro de duas camadas opostas de AlO4 tetraedros, é possibilitada por um alto número de vacâncias intrínsecas de oxigênio nas camadas h´BaO hexagonais densamente compactadas. Por sua vez, o maior teor de água do óxido aumenta sua condutividade de prótons por meio de vários mecanismos, como maior concentração de prótons e maior salto de prótons.

A segunda característica importante está relacionada a como os prótons se movem através do Ba2LuAlO5. As simulações revelaram que os prótons se difundem principalmente ao longo das interfaces das camadas de LuO6, que formam camadas cúbicas compactas de c BaO3, em vez de através das camadas de AlO4. Esta informação pode ser crítica na busca de outros materiais condutores de prótons.

Os pesquisadores esperam encontrar outros materiais condutores de prótons baseados em Ba2LuAlO5 em estudos futuros.

Ao modificar a composição química do Ba2LuAlO5, podem ser esperadas melhorias adicionais na condutividade de prótons. Por exemplo, o óxido relacionado à perovskita Ba2LuAlO5 também pode exibir alta condutividade, pois sua estrutura é bastante semelhante à do Ba2LuAlO5.

Recursos

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

Publicado em 07 de junho de 2023 em Células de combustível, Histórico de mercado, Materiais | Link permanente | Comentários (0)