轉載自公眾平臺：ScienceAI

為了可持續發展，最終取代煤炭和石油等傳統能源，世界各地的科學家都在努力開發環保技術，以安全、高效地生產能源。

自 20 世紀 60 年代以來，燃料電池作為直接從電化學反應產生電力的有前途的方法一直在穩步獲得關注。

然而，基于固體氧化物的典型燃料電池有一個明顯的缺點，即它們在高溫下運行，通常超過 700°C。

質子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cell，PCFC）是一種以質子導體為電解質的固體氧化物燃料電池，具有環境效應好、能量轉化效率高、燃料適應性強以及溫度依賴性低等優點，在大型集中供電、分布式發電、家用熱電聯供系統、以及船舶車輛動力電源等領域有著廣闊的應用前景。

PCFC 使用特殊陶瓷來傳導質子而不是氧化物陰離子。由于 300 至 600°C 的低得多的工作溫度，與大多數其他燃料電池相比，PCFC 可以以更低的成本確保穩定的能源供應。不幸的是，目前只有少數具有合理性能的質子傳導材料是已知的，這正在減緩該領域的進展。

為了應對這一挑戰，包括日本東京工業大學的 Masatomo Yashima 教授在內的一組研究人員一直在尋找 PCFC 的優良質子導體候選者。最新研究發現 Ba2LuAlO5 作為一種有前途的質子導體的發現，為 PCFC 描繪了光明的未來。

該團隊報告了 Ba2LuAlO5?的非凡特性，這是一種新的六方鈣鈦礦相關氧化物，為質子傳導提供了有趣的見解。實驗表明，即使沒有任何額外的化學修飾，這種新型材料也具有非常高的質子傳導率，分子動力學模擬揭示了潛在的原因。這些新見解可能為更安全、更高效的能源技術鋪平道路。

該研究以《High proton conduction in Ba2LuAlO5 with highly oxygen-deficient layers》為題，發布在《Communications Materials》上。

Yashima 及其同事在專注于尋找具有大量內在氧空位的化合物時發現了 Ba2LuAlO5。這是受先前研究結果的推動，這些研究強調了這些空位在質子傳導中的重要性。對 Ba2LuAlO5 樣品的實驗表明，這種材料在低溫下具有高質子電導率——其電導率在 487°C 時為 10^-2 S cm^-1，在 232°C 時為 1.5×10^-3 S cm^-1——甚至 無需額外的化學改進，例如摻雜。

后來，該團隊試圖找出這一特性的根本原因。通過分子動力學模擬和中子衍射測量，他們了解了?Ba2LuAlO5 的兩個重要特性。首先，與其他類似材料相比，這種氧化物吸收了大量的水 (H2O)，形成 Ba2LuAlO5*xH2O（x=0.50）。這種大量吸水發生在 AlO4 四面體的兩個相對層內，這是由于六方密排 h’ BaO 層中存在大量本征氧空位而成為可能。反過來，氧化物較高的水含量通過各種機制增加其質子傳導性，例如更高的質子濃度和增強的質子跳躍。

第二個重要特性與質子如何通過 Ba2LuAlO5 移動有關。模擬顯示質子主要沿著 LuO6 層的界面擴散，形成立方密排 c BaO3 層，而不是通過 AlO4 層。正如 Yashima 解釋的那樣，這些信息對于尋找其他質子傳導材料可能至關重要，「我們的工作提供了新的設計指南，為未來開發更高性能的質子導體開辟了未開發的途徑。」

研究人員希望在接下來的研究中找到其他基于 Ba2LuAlO5 的質子傳導材料。Yashima 教授評論說：「通過改變?Ba2LuAlO5 的化學成分，可以預期質子傳導率會進一步提高，例如，與鈣鈦礦相關的氧化物 Ba2LuAlO5 也可能表現出高傳導性，因為它的結構與 Ba2LuAlO5 的結構非常相似。」