In dit post-industrialisatietijdperk, elektriciteit is de ruggengraat van onze samenleving geworden. Echter, het gebruik van fossiele brandstoffen om het te genereren is niet de beste optie vanwege hun beperkte beschikbaarheid en schadelijk karakter. In de laatste twee decennia, aanzienlijke inspanningen zijn geleverd om technieken te ontwikkelen om duurzame energie te bevorderen. Tegen deze achtergrond, Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's) hebben hun opmars gemaakt als een schoon en zeer efficiënt alternatief dat elektrische energie kan opwekken. Echter, een groot nadeel van SOFC's is hun hoge bedrijfstemperaturen, waardoor het wijdverbreide gebruik ervan wordt beperkt.

Verschillende eerdere studies hebben geprobeerd dit nadeel te ondervangen door de geleidbaarheid bij hoge temperaturen te verbeteren met behulp van oxiden van het fluoriettype zoals CeO _2-δ . Normaal gesproken, deze fluorietoxiden zijn verkrijgbaar in poreuze vorm, en hun geleidingsmechanisme wordt verondersteld afhankelijk te zijn van de oppervlakte-adsorptie van watermoleculen, dat is het proces van adhesie van atomen of moleculen aan een oppervlak.

Een team van wetenschappers van de Tokyo University of Science, geleid door Dr. Tohru Higuchi, zette dit onderzoek een stap verder. In hun nieuwe studie gepubliceerd in Onderzoeksbrieven op nanoschaal , onderzochten de onderzoekers het effect van "doping, " wat het proces is van het toevoegen van onzuiverheden om hun geleidbaarheid te veranderen, op deze oxiden, die een zeer goede kandidaat zijn voor SOFC's. Onderzoekers "doteerden" het oxide met een metaal genaamd Samarium (Sm). Vervolgens, ze zetten dunne films van dit gedoteerde oxide af op een substraat van aluminiumoxide (Al ₂ O ₃ ) in een specifieke richting waarvan bekend is dat deze de geleidbaarheid verbetert. Dr. Higuchi beschouwt dit als een voordeel, vermelden, "Bij het overwegen van praktische apparaten, dunne filmvormen zijn meer geschikt dan poreuze of nanokristallijne vormen."

Vervolgens, het onderzoeksteam karakteriseerde de kristallijne kwaliteit en elektronische structuur van de nieuwe film. Ze vergeleken ook het verschil in geleidbaarheid tussen deze nieuwe film en dikke keramische oxiden die gewoonlijk in de industrie worden gebruikt. Hun bevindingen onthulden dat het keramische monster een slechte kristalliniteit vertoonde en een slechte protongeleiding had in vergelijking met het dunne-filmmonster.

Bovendien, de "weerstand" - of de weerstand tegen elektrische stroom - van de dunne film bleek af te nemen met toenemende vochtigheid als gevolg van de "protongeleiding" in fluorietachtige oxiden, zoals verklaard door het Grotthuss-mechanisme. Een watermolecuul bestaat uit twee atomen zuurstof en één atoom waterstof. De moleculen van water hebben bindingen tussen hen, "waterstofbindingen" genoemd. Het Grotthuss-mechanisme (of het "hop-turn"-mechanisme) zorgt ervoor dat de watermoleculen worden gesplitst in ionen die de geleidbaarheid verhogen, en daarom gaan ze van de ene waterstofbrug naar de andere. De nieuwe film bleek protonische geleiding aan het oppervlak te vertonen in het lage temperatuurgebied onder 100°C.

Deze romanfilm, met zijn hoge geleidbaarheid bij kamertemperatuur, zal in de toekomst zeker meerdere toepassingen hebben. Wat SOFC's betreft, Dr. Higuchi concludeert, "Onze studie over elektrolytmembranen presenteert radicale bevindingen die kunnen helpen de bedrijfstemperatuur van SOFC's te verlagen, en kan een alternatief systeem zijn voor het maken van meer praktische apparaten met behulp van fluorietoxiden in SOFC's, en nieuwe wegen openen voor de opwekking van kernenergie en thermische energie in de toekomst."