东京工业大学的研究人员发现了六方钙钛矿相关的 Ba₅右₂铝₂氧化亚锡₁₃氧化物（R = 稀土金属）作为具有极高质子传导性和热稳定性的材料。

它们独特的晶体结构和大量的氧空位能够实现完全水合和高质子扩散，使这些材料成为下一代质子陶瓷燃料电池电解质的理想候选者，该燃料电池可以在中间温度下运行而不会降解。该研究在以下方面取得了重大进展燃料电池技术。

燃料电池提供了一个有前途的解决方案清洁能源通过将氢和氧结合来发电，副产品仅产生水和热量。它们由阳极、阴极和电解质组成。氢气在阳极被引入，在那里它分裂成质子（H⁺）和电子。

电子产生电流，而质子通过电解质迁移到阴极，在阴极与氧气反应形成水。大多数燃料电池是固体氧化物燃料电池（SOFC），它使用氧化物离子导体作为电解质。然而，SOFC 的一个主要挑战是所需的高工作温度，导致材料随着时间的推移而退化。

为了解决这个问题，使用质子传导的质子陶瓷燃料电池（PCFC）陶瓷材料因为电解质正在被探索。这些燃料电池可以在 200°C 至 500°C 的中间、更易于管理的温度下运行。然而，寻找兼具高质子电导率这些中间温度下的化学稳定性仍然是一个挑战。

在一项研究中发表于美国化学会杂志东京工业大学（Tokyo Tech）Masatomo Yashima教授领导的研究人员与东北大学的研究人员合作，取得了重大突破。

他们鉴定出化学稳定的六方钙钛矿相关氧化物 Ba₅右₂铝₂氧化亚锡₁₃（其中 R 代表稀土金属 Gd、Dy、Ho、Y、Er、Tm 和 Yb）作为有前途的电解质材料，具有接近 0.01 S cm 的高质子电导率^-1，在 300°C 左右明显高于其他质子导体。

“在这项工作中，我们发现了陶瓷质子导体中最高的质子导体之一：新型六方钙钛矿相关氧化物Ba₅呃₂铝₂氧化亚锡₁₃，这将是快速质子导体发展的一个突破，”Yashima 说。

该材料的高质子电导率归因于具有独特晶体结构的高度缺氧材料的充分水合。该结构可以可视化为八面体层和缺氧六方密堆积 AO 的堆叠_{3����}(h') 层（A 是大阳离子，例如 Ba²⁺和δ代表氧空位的数量）。

当水合时，这些空位被水分子中的氧完全占据，形成羟基(OH–), 释放质子 (H⁺）迁移通过结构，增强导电性。

在他们的研究中，研究人员合成了 Ba₅呃₂铝₂氧化亚锡₁₃（BEAS）使用固态反应。该材料具有大量的氧空位 (Ύ´ = 0.2)，并且吸水分数为 1，表明其完全水合的能力。测试时发现，其在湿氮气环境中的电导率比356℃干氮气环境中的电导率高2100倍。完全水合时，电导率达到 0.01 S cm^-1303℃。

此外，八面体层中原子的排列提供了质子迁移的路径，进一步提高了质子传导性。在 Ba 的模拟中₅呃₂铝₂氧化亚锡₁₃啊₂O，研究人员研究了晶体结构的 2×2×1 超级晶胞中的质子运动，以 Ba 为代表₄₀呃₁₆铝₁₆锡₈氧₁₁₂H₁₆。该结构包括两个h'层和两个八面体层。研究人员发现，八面体层中的质子表现出质子的长程迁移，表明质子扩散速度很快。

“BEAS 的高质子传导率归因于其高质子浓度和扩散系数，”Yashima 解释道。

除了具有高电导率外，该材料在 PCFC 的工作温度下也具有化学稳定性。在氧气、空气、氢气和 CO 的潮湿气氛下对材料进行退火₂在600℃下，研究人员观察到其成分和结构没有变化，表明该材料具有强大的稳定性，适合连续运行而不会降解。

“这些发现为质子导体开辟了新途径。通过高度缺氧的六方钙钛矿相关材料的八面体层中的完全水合和快速质子迁移而获得的高质子电导率将是开发下一代质子导体的有效策略，”Yashima 说。凭借其卓越的性能，这种材料可以生产高效、耐用和低温的燃料电池。