東京工業大學的研究人員發現了六方鈣鈦礦相關的 Ba₅右₂鋁₂氧化亞錫₁₃氧化物（R = 稀土金屬）作為具有極高質子傳導性和熱穩定性的材料。

它們獨特的晶體結構和大量的氧空位能夠實現完全水合和高質子擴散，使這些材料成為下一代質子陶瓷燃料電池電解質的理想候選者，該燃料電池可以在中間溫度下運行而不會降解。該研究在以下方面取得了重大進展燃料電池技術。

燃料電池提供了一個有前景的解決方案清潔能源透過將氫和氧結合來發電，副產品僅產生水和熱量。它們由陽極、陰極和電解質組成。氫氣在陽極被引入，在那裡它分裂成質子（H⁺）和電子。

電子產生電流，而質子透過電解質遷移到陰極，在陰極與氧氣反應形成水。大多數燃料電池是固態氧化物燃料電池（SOFC），它使用氧化物離子導體作為電解質。然而，SOFC 的一個主要挑戰是所需的高工作溫度，導致材料隨著時間的推移而退化。

為了解決這個問題，使用質子傳導的質子陶瓷燃料電池（PCFC）陶瓷材料因為電解質正在被探索。這些燃料電池可以在 200°C 至 500°C 的中間、更易於管理的溫度下運作。然而，尋找兼具高質子電導率這些中間溫度下的化學穩定性仍然是一個挑戰。

在一項研究中發表於美國化學會雜誌由東京工業大學（Tokyo Tech）Masatomo Yashima教授領導的研究人員與東北大學的研究人員合作，取得了重大突破。

他們鑑定出化學穩定的六方鈣鈦礦相關氧化物 Ba₅右₂鋁₂氧化亞錫₁₃（其中 R 代表稀土金屬 Gd、Dy、Ho、Y、Er、Tm 和 Yb）作為有前途的電解質材料，具有接近 0.01 S cm 的高質子電導率^-1，在 300°C 左右明顯高於其他質子導體。

「在這項工作中，我們發現了陶瓷質子導體中最高的質子導體之一：新型六方鈣鈦礦相關氧化物Ba₅呃₂鋁₂氧化亞錫₁₃，這將是快速質子導體發展的突破，」Yashima 說。

該材料的高質子電導率歸因於具有獨特晶體結構的高度缺氧材料的充分水合。該結構可視覺化為八面體層和缺氧六方密堆積 AO 的堆疊_{3����}(h') 層（A 是大陽離子，例如 Ba²⁺和δ代表氧空位的數量）。

當水合時，這些空位被水分子中的氧氣完全佔據，形成羥基(OH–), 釋放質子 (H⁺）遷移通過結構，增強導電性。

在他們的研究中，研究人員合成了 Ba₅呃₂鋁₂氧化亞錫₁₃（BEAS）使用固態反應。此材料具有大量的氧空位 (Ύ´ = 0.2)，且吸水分數為 1，顯示其完全水合的能力。測試時發現，其在濕氮氣環境下的電導率比356℃乾氮氣環境中的電導率高2100倍。完全水合時，電導率達 0.01 S cm^-1303℃。

此外，八面體層中原子的排列提供了質子遷移的路徑，進一步提高了質子傳導性。在 Ba 的模擬中₅呃₂鋁₂氧化亞錫₁₃啊₂O，研究人員研究了晶體結構的 2×2×1 超級晶胞中的質子運動，以 Ba 為代表₄₀呃₁₆鋁₁₆錫₈氧₁₁₂H₁₆。此結構包括兩個h'層和兩個八面體層。研究人員發現，八面體層中的質子表現出質子的長程遷移，顯示質子擴散速度很快。

「BEAS 的高質子傳導率歸因於其高質子濃度和擴散係數，」Yashima 解釋道。

除了具有高電導率外，該材料在 PCFC 的工作溫度下還具有化學穩定性。在氧氣、空氣、氫氣和 CO 的潮濕氣氛下對材料進行退火₂在600℃下，研究人員觀察到其成分和結構沒有變化，顯示該材料具有強大的穩定性，適合連續運作而不會降解。

「這些發現為質子導體開闢了新途徑。透過高度缺氧的六方鈣鈦礦相關材料的八面體層中的完全水合和快速質子遷移而獲得的高質子電導率將是開發下一代質子導體的有效策略，”Yashima 說。憑藉其卓越的性能，這種材料可以生產高效、耐用和低溫的燃料電池。