客观日本

东工大发现最高水平氢离子传导率的新材料,燃料电池和氢传感器又将大发展

2020年06月15日 化学材料

日本东京工业大学理学院化学系的村上泰斗特任助教和八岛正知教授等人组成的研究团队,发现了在中低温区域表现出全球最高水平的质子(H+,氢离子)传导率的新材料Ba5Er2Al2ZrO13。该研究团队还与澳大利亚核科学技术组织(ANSTO)的海斯特·詹姆斯(Hester James)博士共同实施了中子衍射测量和晶体结构解析,明确了这种新材料具有的高质子传导率的物理机制。

此次发现的新型质子导体无需进行化学置换即表现出很高的质子传导率,因此不存在以往的材料稳定性和均匀性问题,有望作为新型质子导体及其设计方法应用于广泛的领域。

背景

质子导体作为广泛应用于氢泵、氢传感器和燃料电池等领域的清洁能源材料备受期待。尤其是将质子导体作为燃料电池的电解质材料使用时,与采用常规的氧化物离子导体的燃料电池相比,有望实现器件的低温工作。

因此,需要使用能在中低温区域(300~600°C)表现出高质子传导率的材料,但现有材料的晶体结构仅限于褐钇铌矿型结构和ABO3钙钛矿型结构等。而且,这些现有材料的基础物质的传导率比较低,要想实现高传导率,就要进行化学置换和掺杂,材料的稳定性和均匀性存在问题。

六方钙钛矿相关氧化物是广义上的钙钛矿之一,已知这种物质具有不同的晶体结构及物理和化学特性。有研究显示,立方钙钛矿型氧化物中有很多在中低温区域表现出高质子传导率的材料,而六方钙钛矿相关氧化物几乎没有被作为质子导体研究过。

研究成果

现有的质子导体大多通过用低价阳离子化学置换晶格中的部分阳离子来导入氧空位,质子导体与水蒸气H2O发生反应后,H2O中的O进入氧空位,同时质子被质子导体吸收,由此表现出质子传导性。

另一方面,研究表明,此次发现的新材料由于晶体中的h′层本来就存在氧空位,因此无需进行化学置换就表现出高质子传导率(图1)。此外,晶体结构解析和热重测量也表明质子实际存在于h′层,而且负责导电。

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图1:(a)新型质子导体Ba5Er2Al2ZrO13的晶体结构。(b)Ba5Er2Al2ZrO13与各种质子导体的质子传导率比较(©American Chemical Society, 八岛正知、村上泰斗)

未来展望

此次发现的Ba5Er2Al2ZrO13在中低温区域的质子传导率是立方钙钛矿型氧化物以外的物质组中最高的,这表明六方钙钛矿相关氧化物作为质子导体的新结构族具有很高的潜力。已知六方钙钛矿相关氧化物中有很多像Ba5Er2Al2ZrO13那样在结构中有h′层的物质,这些物质也可能具有高质子传导率。

此次研究为质子导体提供了新的设计指南,预计今后还会发现很多新的质子导体,还有望开发将Ba5Er2Al2ZrO13应用于燃料电池和传感器等的材料。

论文信息
题目:High Proton Conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a Hexagonal Perovskite-Related Oxide with Intrinsically Oxygen-Deficient Layers
期刊:《Journal of the American Chemical Society》
DOI:10.1021/jacs.0c02403

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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