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据东京工业大学的科学家报道，作为一种新开发的钙钛矿，BaSc0.8W0.2O2.8具有大量的固有氧空位，在低温和中温下可以实现高质子传导。

通过给体掺杂大量的W6+，该材料可以吸收更多的水来增加其质子浓度，同时通过掺杂剂与质子之间的静电斥力减少质子的俘获。这些发现为合理设计质子陶瓷燃料电池(pcfc)和电解电池(PCECs)的新型钙钛矿铺平了道路。

随着全球对清洁能源技术的努力，燃料电池可能很快成为将以氢或其他燃料形式储存的化学能转化为电能的不可或缺的工具。在正在积极研究的各种类型的燃料电池中，使用固体电解质而不是液体电解质的燃料电池具有固有的安全性和稳定性优势。

质子陶瓷燃料电池(pcfc)尤其受到科学家的关注。这些器件不是通过氧化离子(O2−)的传导，而是通过价较小的轻质子(H+)的传导。pcfc的一个关键特征是它们能够在50-500°C范围内的低温和中温下发挥作用。然而，迄今为止报道的基于钙钛矿电解质的pcfc在低温和中温时质子电导率较低。

在最近的一项研究中，由东京工业大学(Tokyo Tech)的Masamoto Yashima教授领导的研究小组与高能加速器研究组织(KEK)合作，着手解决钙钛矿基质子导体的这一限制。他们的研究结果发表在2024年5月3日的《材料化学杂志A》上。

但为什么传统钙钛矿型质子导体的导电性如此之低?Yashima解释说:“传统质子导体的一个主要问题是质子捕获现象，即质子通过掺杂剂和质子之间的静电吸引被受体掺杂剂捕获。”“这种质子导体的另一个主要问题是，由于氧空位少，质子浓度低。”

为了解决这些问题，研究人员开发了一种高度缺氧的钙钛矿，即掺杂W6+阳离子的BaScO2.5，或BaSc0.8W0.2O2.8。由于其大量的氧空位，这种材料具有比其他质子导电钙钛矿更高的质子浓度。然而，由于质子跳跃发生在氧原子之间，氧空位会降低而不是增加质子的电导率。

通过将钙钛矿充分水化，将其转化为BaSc0.8W0.2O3H0.4，解决了这一问题。由于W6+掺杂物的大尺寸，钙钛矿具有更大的晶格体积，这意味着它可以比掺杂其他阳离子(如小Mo6+)的钙钛矿占据更多的水分子。高吸水性通过进一步提高质子浓度，促进了质子的高导电性。

在质子俘获方面，W6+掺杂物的高正电荷导致与同样带正电荷的质子产生更强的斥力。通过从头算分子动力学模拟证实了这一效应，揭示了质子在Sc阳离子附近的迁移路径。这种斥力表明W6+掺杂减少了质子的捕获，从而导致了低、中温度下质子的高电导率。

总而言之，这项研究提供的见解可以帮助建立质子导电钙钛矿的基本设计原则。

Yashima说:“通过掺杂大量供体掺杂剂，具有无序固有氧空位和完全水合作用的钙钛矿的稳定可能是下一代质子导体的有效策略。”

除pcfc外，质子导电电解电池(PCECs)还需要质子导体，以有效利用电能。这两项技术在不久的将来都将是必不可少的，因为我们共同努力通过新型质子导体实现可持续性。

更多信息:Kei Saito等人，在高度缺氧钙钛矿中充分水化的高质子传导，Journal of Materials Chemistry A(2024)。DOI: 10.1039/D4TA01978D期刊信息:材料化学杂志A由东京工业大学提供引文:解决下一代燃料电池中质子导电钙钛矿的问题(2024,5月29日)检索自2024年5月29日https://techxplore.com/news/2024-05-problems-proton-perovskites-generation-fuel.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。