Investigadores de Tokyo Tech han identificado Ba relacionado con perovskita hexagonal₅R₂Alabama₂SnO₁₃óxidos (R = metal de tierras raras) como materiales con una conductividad de protones y estabilidad térmica excepcionalmente altas.

Su estructura cristalina única y su gran cantidad de vacantes de oxígeno permiten una hidratación total y una alta difusión de protones, lo que convierte a estos materiales en candidatos ideales como electrolitos para celdas de combustible cerámicas protónicas de próxima generación que pueden operar a temperaturas intermedias sin degradación.El estudio presenta un avance significativo entecnología de pila de combustible.

Las pilas de combustible ofrecen una solución prometedora paraenergía limpiacombinando hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, con solo agua y calor producidos como subproductos.Consisten en un ánodo, un cátodo y un electrolito.El gas hidrógeno se introduce en el ánodo donde se divide en protones (H⁺) y electrones.

Los electrones crean una corriente eléctrica, mientras que los protones migran a través del electrolito hasta el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno para formar agua.La mayoría de las pilas de combustible son pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que utilizan conductores de iones de óxido como electrolitos.Sin embargo, un desafío importante con las SOFC son las altas temperaturas de funcionamiento requeridas, lo que lleva a la degradación del material con el tiempo.

Para solucionar este problema, se utilizan pilas de combustible cerámicas protónicas (PCFC, por sus siglas en inglés) que utilizan células conductoras de protones.materiales cerámicosa medida que se exploran los electrolitos.Estas pilas de combustible pueden funcionar a temperaturas intermedias y más manejables de 200 a 500 °C.Sin embargo, encontrar materiales adecuados que exhiban tanto altaconductividad de protonesy la estabilidad química a estas temperaturas intermedias sigue siendo un desafío.

en un estudiopublicado en elRevista de la Sociedad Química Estadounidense, investigadores dirigidos por el profesor Masatomo Yashima del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), en colaboración con investigadores de la Universidad de Tohoku, han logrado un avance significativo.

Identificaron óxidos Ba relacionados con perovskita hexagonales químicamente estables.₅R₂Alabama₂SnO₁₃(donde R representa metales de tierras raras Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm e Yb) como materiales electrolíticos prometedores con una alta conductividad de protones de casi 0,01 S cm^-1, que es notablemente superior a la de otros conductores de protones, alrededor de 300 °C.

"En este trabajo, hemos descubierto uno de los conductores de protones más altos entre los conductores de protones cerámicos: el nuevo óxido hexagonal relacionado con la perovskita Ba₅Eh₂Alabama₂SnO₁₃, lo que supondría un gran avance para el desarrollo de conductores rápidos de protones", afirma Yashima.

La alta conductividad de protones del material se atribuye a la hidratación total en un material altamente deficiente en oxígeno con una estructura cristalina única.La estructura se puede visualizar como un apilamiento de capas octaédricas y AO hexagonales y compactos con deficiencia de oxígeno._3âδ(h') capas (A es un catión grande como Ba²⁺y δ representa la cantidad de vacantes de oxígeno).

Cuando se hidratan, estas vacantes son completamente ocupadas por los oxígenos de las moléculas de agua para formargrupos hidroxilo(OHâ»), liberando protones (H⁺) que migran a través de la estructura, mejorando la conductividad.

En su estudio, los investigadores sintetizaron Ba₅Eh₂Alabama₂SnO₁₃(BEAS) utilizando reacciones de estado sólido.El material tenía una gran cantidad de vacantes de oxígeno (δ = 0,2) y exhibió una absorción de agua fraccional de 1, lo que indica su capacidad de hidratación total.Cuando se probó, se encontró que su conductividad en un ambiente húmedo de nitrógeno era 2100 veces mayor que en un ambiente seco de nitrógeno a 356 °C.Cuando estaba completamente hidratado, alcanzó una conductividad de 0,01 S cm.^-1a 303°C.

Además, la disposición de los átomos en las capas octaédricas proporciona vías para la migración de protones, lo que aumenta aún más la conductividad de los protones.En simulaciones de Ba₅Eh₂Alabama₂SnO₁₃·H₂O, los investigadores estudiaron el movimiento de protones en una supercélula de estructura cristalina 2Ã2Ã1, representada por Ba₄₀Eh₁₆Alabama₁₆sn₈oh₁₁₂h₁₆.Esta estructura incluía dos capas h' y dos capas octaédricas.Los investigadores descubrieron que los protones en la capa octaédrica mostraban migraciones de protones de largo alcance, lo que indica una rápida difusión de protones.

"La alta conductividad de protones de BEAS se atribuye a su alta concentración de protones y coeficiente de difusión", explica Yashima.

Además de su alta conductividad, el material también es químicamente estable a las temperaturas de funcionamiento de los PCFC.Al recocer el material bajo atmósferas húmedas de oxígeno, aire, hidrógeno y CO₂a 600 °C, los investigadores no observaron cambios en su composición y estructura, lo que indica la robusta estabilidad del material y su idoneidad para un funcionamiento continuo sin degradación.

"Estos hallazgos abren nuevas vías para los conductores de protones. La alta conductividad de los protones a través de la hidratación total y la rápida migración de protones en capas octaédricas en materiales relacionados con la perovskita hexagonal altamente deficientes en oxígeno sería una estrategia efectiva para desarrollar conductores de protones de próxima generación", dice Yashima.Con sus propiedades excepcionales, este material podría dar lugar a pilas de combustible eficientes, duraderas y de baja temperatura.