De afgelopen jaren is brandstofcellen zijn een centraal punt van onderzoek geworden op het gebied van milieuvriendelijke technologie vanwege hun superieure vermogen om hernieuwbare energie en schone brandstof op te slaan en te produceren. Een typisch type brandstofcel dat terrein wint, is de protongeleidende brandstofcel, die voornamelijk is gemaakt van materialen waardoor waterstofionen (protonen:H ⁺ ), gemakkelijk kan bewegen. Protongeleidende materialen bieden een aantal voordelen ten opzichte van veelgebruikte brandstofcellen die oxide-ionengeleiders voor elektrolyten bevatten, zoals hogere geleidbaarheid bij lage en tussenliggende temperaturen, langere levensduur, en lagere kosten.

Echter, er is slechts een beperkt aantal van dergelijke materialen bekend en hun toepassing voor het ontwikkelen van brandstofcellen is grotendeels op laboratoriumschaal gebleven. Om echt te komen tot een duurzame energie-economie, er moeten nieuwe protongeleiders met een hoge geleidbaarheid worden ontdekt die de goedkope en efficiënte opschaling van deze technologieën mogelijk maken.

Wetenschappers van Tokyo Tech en ANSTO wilden in deze behoefte voorzien, en in een recente studie, identificeerde een nieuw protongeleidend materiaal dat mogelijk een vertegenwoordiger is van een hele familie van protonengeleiders.

Het materiaal in kwestie heeft de chemische formule Ba ₅ eh ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ en is geclassificeerd als een "hexagonaal perovskiet-gerelateerd oxide." Prof Masatomo Yashima, die de studie leidde, legt uit:"Protonengeleiding in oxiden vindt meestal plaats via het springen van protonen tussen oxide-ionen. Daarom, de kristalstructuur en de lokale omgeving rond oxide-ionen hebben een enorme impact op de mogelijke geleidende paden. Dit verklaart waarom in slechts een beperkt aantal materialen een hoge protongeleiding is gerapporteerd."

Prof Yashima en zijn team merkten op dat de structuur van Ba ₅ eh ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ bevat zuurstofarme lagen en de protongeleiding is hoger dan die van representatieve protongeleiders, die worden gecreëerd door kunstmatig zuurstoftekorten in de kristalstructuren van bepaalde materialen te introduceren. Ze realiseerden zich dat dit intrinsieke zuurstoftekort van Ba ₅ eh ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ zou het een opmerkelijk voordeel kunnen geven ten opzichte van conventionele protonengeleiders, het elimineren van een groot probleem in hen:hun instabiliteit en de moeilijkheid om samenstellingshomogene monsters te synthetiseren.

Ze voerden een reeks experimenten uit om de mechanismen die aan deze eigenschap ten grondslag liggen op te helderen. Eerste onderzoeken toonden aan dat de protongeleidbaarheid van Ba5Er2Al2ZrO13 hoog is bij tussenliggende en lage temperaturen die essentieel zijn voor potentiële industriële toepassingen. Bij verder experimenteren, het bleek dat watermoleculen (H2O) in lucht kunnen oplossen in de zuurstofarme lagen van het kristal, waar de zuurstof uit het water wordt gescheiden van waterstof om mobiel H+ te produceren. Deze H+ "springen over oxide-ionen" in de zuurstofarme lagen, waardoor een hoge protongeleiding mogelijk is.

Dit fenomeen is niet beperkt tot dit specifieke materiaal. Het team synthetiseerde andere materialen met vergelijkbare structuren en voerde voorlopige tests uit op hun elektrische geleidbaarheid. Ze vonden vergelijkbare resultaten als die voor Ba ₅ eh ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . Assistent Dr. Taito Murakami, eerste auteur van de studie, legt uit:"Onze resultaten suggereren dat de zuurstofarme lagen in hexagonale perovskiet-gerelateerde oxiden een algemeen structureel blok zouden kunnen zijn dat een hoge protongeleidbaarheid verleent. Deze lagen kunnen worden gevonden in een aantal oxiden naast Ba ₅ eh ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ ."

Deze ontdekking van een geheel nieuwe reeks intrinsiek hoge protongeleidende materialen, en het mechanisme van hun protongeleiding, zou onderzoek op dit gebied naar nieuwe horizonten kunnen tillen. Dr. James R. Hester van ANSTO, die ook meededen aan het onderzoek, merkt op:"Ons werk biedt een potentiële strategie om superieure protongeleiders te ontwerpen op basis van de zuurstofarme lagen van sommige perovskiet-gerelateerde oxiden." Dit werk is hopelijk een stap in de richting van een schonere toekomst.