टोक्यो टेक के शोधकर्ताओं ने हेक्सागोनल पेरोव्स्काइट-संबंधित बा की पहचान की है₅आर₂अल₂एसएनओ₁₃ऑक्साइड (आर = दुर्लभ पृथ्वी धातु) असाधारण उच्च प्रोटॉन चालकता और थर्मल स्थिरता वाली सामग्री के रूप में।

उनकी अद्वितीय क्रिस्टल संरचना और बड़ी संख्या में ऑक्सीजन रिक्तियां पूर्ण जलयोजन और उच्च प्रोटॉन प्रसार को सक्षम बनाती हैं, जिससे ये सामग्रियां अगली पीढ़ी के प्रोटॉनिक सिरेमिक ईंधन कोशिकाओं के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में आदर्श उम्मीदवार बन जाती हैं जो बिना गिरावट के मध्यवर्ती तापमान पर काम कर सकती हैं।अध्ययन में एक महत्वपूर्ण प्रगति प्रस्तुत की गई हैईंधन सेल प्रौद्योगिकी.

ईंधन सेल एक आशाजनक समाधान प्रस्तुत करते हैंस्वच्छ ताक़तहाइड्रोजन और ऑक्सीजन के संयोजन से बिजली उत्पन्न की जाती है, जिसमें उपोत्पाद के रूप में केवल पानी और गर्मी उत्पन्न होती है।इनमें एक एनोड, एक कैथोड और एक इलेक्ट्रोलाइट होता है।हाइड्रोजन गैस को एनोड में पेश किया जाता है जहां यह प्रोटॉन (एच) में विभाजित हो जाती है⁺) और इलेक्ट्रॉन।

इलेक्ट्रॉन विद्युत प्रवाह बनाते हैं, जबकि प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड में चले जाते हैं, जहां वे ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके पानी बनाते हैं।अधिकांश ईंधन सेल ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (एसओएफसी) हैं, जो इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में ऑक्साइड आयन कंडक्टर का उपयोग करते हैं।हालाँकि, एसओएफसी के साथ एक बड़ी चुनौती उच्च परिचालन तापमान की आवश्यकता है, जिससे समय के साथ सामग्री का क्षरण होता है।

इसे संबोधित करने के लिए, प्रोटॉनिक सिरेमिक ईंधन सेल (पीसीएफसी) जो प्रोटॉन-संचालन का उपयोग करते हैंसिरेमिक सामग्रीजैसे कि इलेक्ट्रोलाइट्स की खोज की जा रही है।ये ईंधन सेल 200-500 डिग्री सेल्सियस के मध्यवर्ती, अधिक प्रबंधनीय तापमान पर काम कर सकते हैं।हालाँकि, ऐसी उपयुक्त सामग्रियाँ ढूँढना जो दोनों को उच्च प्रदर्शित करती होंप्रोटॉन चालकताऔर इन मध्यवर्ती तापमानों पर रासायनिक स्थिरता एक चुनौती बनी हुई है।

एक अध्ययन मेंमें प्रकाशितअमेरिकी रसायन सोसाइटी का जर्नलटोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (टोक्यो टेक) के प्रोफेसर मासातोमो याशिमा के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने तोहोकू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के सहयोग से एक महत्वपूर्ण सफलता हासिल की है।

उन्होंने रासायनिक रूप से स्थिर हेक्सागोनल पेरोव्स्काइट-संबंधित ऑक्साइड बा की पहचान की₅आर₂अल₂एसएनओ₁₃(जहां आर दुर्लभ पृथ्वी धातुओं जीडी, डाई, हो, वाई, एर, टीएम और वाईबी का प्रतिनिधित्व करता है) लगभग 0.01 एस सेमी की उच्च प्रोटॉन चालकता के साथ आशाजनक इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के रूप में^-1, जो 300 डिग्री सेल्सियस के आसपास अन्य प्रोटॉन कंडक्टरों की तुलना में उल्लेखनीय रूप से अधिक है।

"इस काम में, हमने सिरेमिक प्रोटॉन कंडक्टरों के बीच उच्चतम प्रोटॉन कंडक्टरों में से एक की खोज की है: उपन्यास हेक्सागोनल पेरोव्स्काइट-संबंधित ऑक्साइड बा₅एर₂अल₂एसएनओ₁₃, जो तेज़ प्रोटॉन कंडक्टरों के विकास के लिए एक सफलता होगी," याशिमा कहती हैं।

सामग्री की उच्च प्रोटॉन चालकता को एक अद्वितीय क्रिस्टल संरचना के साथ अत्यधिक ऑक्सीजन की कमी वाली सामग्री में पूर्ण जलयोजन के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है।संरचना को अष्टफलकीय परतों और ऑक्सीजन की कमी वाले हेक्सागोनल क्लोज-पैक एओ के ढेर के रूप में देखा जा सकता है_3âδ(एच') परतें (ए एक बड़ा धनायन है जैसे बा²⁺और δ ऑक्सीजन रिक्तियों की मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है)।

हाइड्रेटेड होने पर, ये रिक्तियां पानी के अणुओं से बनने वाली ऑक्सीजन द्वारा पूरी तरह से व्याप्त हो जाती हैंहाइड्रॉक्सिल समूह(OHâ»), प्रोटॉन जारी करना (H⁺) जो संरचना के माध्यम से स्थानांतरित होकर चालकता को बढ़ाता है।

अपने अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने बा को संश्लेषित किया₅एर₂अल₂एसएनओ₁₃(बीईएएस) ठोस-अवस्था प्रतिक्रियाओं का उपयोग करते हुए।सामग्री में बड़ी मात्रा में ऑक्सीजन रिक्तियां थीं (δ = 0.2) और 1 का आंशिक जल ग्रहण प्रदर्शित किया, जो पूर्ण जलयोजन के लिए इसकी क्षमता को दर्शाता है।जब परीक्षण किया गया, तो गीले नाइट्रोजन वातावरण में इसकी चालकता 356 डिग्री सेल्सियस पर सूखे नाइट्रोजन वातावरण की तुलना में 2,100 गुना अधिक पाई गई।पूरी तरह से हाइड्रेटेड होने पर, इसने 0.01 एस सेमी की चालकता हासिल की^-1303 डिग्री सेल्सियस पर.

इसके अलावा, अष्टफलकीय परतों में परमाणुओं की व्यवस्था प्रोटॉन प्रवास के लिए मार्ग प्रदान करती है, जिससे प्रोटॉन चालकता में और वृद्धि होती है।बा के अनुकरण में₅एर₂अल₂एसएनओ₁₃·एच₂ओ, शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल संरचना के 2Ã2Ã1 सुपरसेल में प्रोटॉन आंदोलन का अध्ययन किया, जिसे बा द्वारा दर्शाया गया है₄₀एर₁₆अल₁₆एस.एन.₈हे₁₁₂एच₁₆.इस संरचना में दो h' परतें और दो अष्टफलकीय परतें शामिल थीं।शोधकर्ताओं ने पाया कि ऑक्टाहेड्रल परत में प्रोटॉन ने प्रोटॉन के लंबी दूरी के प्रवास को दिखाया, जो तेजी से प्रोटॉन प्रसार का संकेत देता है।

याशिमा बताती हैं, "बीईएएस की उच्च प्रोटॉन चालकता इसकी उच्च प्रोटॉन सांद्रता और प्रसार गुणांक के कारण है।"

इसकी उच्च चालकता के अलावा, सामग्री पीसीएफसी के ऑपरेटिंग तापमान पर रासायनिक रूप से भी स्थिर है।ऑक्सीजन, वायु, हाइड्रोजन और सीओ के गीले वातावरण के तहत सामग्री को एनीलिंग करने पर₂600 डिग्री सेल्सियस पर, शोधकर्ताओं ने इसकी संरचना और संरचना में कोई बदलाव नहीं देखा, जो सामग्री की मजबूत स्थिरता और बिना गिरावट के निरंतर संचालन के लिए उपयुक्तता का संकेत देता है।

यशिमा कहती हैं, "ये निष्कर्ष प्रोटॉन कंडक्टरों के लिए नए रास्ते खोलते हैं। पूर्ण जलयोजन के माध्यम से उच्च प्रोटॉन चालकता और अत्यधिक ऑक्सीजन की कमी वाले हेक्सागोनल पेरोव्स्काइट-संबंधित सामग्रियों में ऑक्टाहेड्रल परतों में तेज़ प्रोटॉन प्रवासन अगली पीढ़ी के प्रोटॉन कंडक्टर विकसित करने के लिए एक प्रभावी रणनीति होगी।".अपने असाधारण गुणों के साथ, यह सामग्री कुशल, टिकाऊ और कम तापमान वाले ईंधन सेल का निर्माण कर सकती है।