차세대 양성자 전도체

Apr 28, 2023

Tokyo Tech의 과학자들은 양성자 세라믹 연료 전지를 위한 유망한 양성자 전도체로서 Ba2LuAlO5를 발견했습니다. 산화물은 487°C에서 10−2 S cm−1, 232°C에서 1.5 × 10−3 S cm−1의 양성자 전도성을 나타내며 화학적 도핑 없이도 높은 확산성과 높은 화학적 안정성을 나타냅니다. 이러한 새로운 통찰력은 보다 안전하고 효율적인 에너지 기술을 향한 길을 열어줄 수 있습니다.

해당 작업에 대한 오픈 액세스 논문이 Communications Materials에 게재되었습니다.

Ba2LuAlO5는 산소 결핍이 높은 육각형 조밀 패킹 h' 층을 갖는 육각형 페로브스카이트 관련 산화물로, Ba2LuAlO5·xH2O에서 x = 0.50의 많은 양의 수분 흡수가 가능합니다. 초기 분자 역학 시뮬레이션과 중성자 회절은 h' 층의 수화와 팔면체 LuO6 층의 경계면에 존재하는 입방형 밀집 c 층 주위의 양성자 이동을 보여줍니다. 이러한 결과는 고도로 산소가 부족한 입방형 밀집층에 의해 허용되는 높은 양성자 전도가 고성능 양성자 전도체 개발을 위한 유망한 전략임을 보여줍니다.

일반적인 고체산화물 기반 연료전지는 일반적으로 700°C가 넘는 고온에서 작동한다는 점에서 주목할만한 단점이 있습니다. 이것이 바로 많은 과학자들이 양성자 세라믹 연료전지(PCFC)에 초점을 맞춘 이유입니다. 이 셀은 산화물 음이온(O2−) 대신 양성자(H+)를 전도하는 특수 세라믹을 사용합니다. PCFC는 300~600°C 범위의 훨씬 낮은 작동 온도 덕분에 대부분의 다른 연료전지에 비해 저렴한 비용으로 안정적인 에너지 공급을 보장할 수 있습니다. 불행하게도 현재 합리적인 성능을 지닌 양성자 전도성 물질은 소수에 불과해 이 분야의 발전이 더디게 진행되고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일본 도쿄 공과대학(Tokyo Tech)의 야시마 마사토모(Masatomo Yashima) 교수를 포함한 연구진은 PCFC에 대한 우수한 양성자 전도체 후보를 찾고 있었습니다.

야시마 교수팀은 고유산소 결손이 많은 화합물을 찾는 데 집중하던 중 Ba2LuAlO5를 발견했다. 이는 양성자 전도에서 이러한 공석의 중요성을 강조하는 이전 연구 결과에 의해 동기가 부여되었습니다.

분자 역학 시뮬레이션과 중성자 회절 측정을 통해 그들은 Ba2LuAlO5의 두 가지 중요한 특성을 배웠습니다. 첫 번째는 이 산화물이 다른 유사한 물질에 비해 많은 물(H2O)을 흡수하여 Ba2LuAlO5.0.5H2O를 형성한다는 것입니다. AlO4 사면체의 두 개의 반대 층 내에서 발생하는 이러한 큰 물 흡수는 육각형으로 밀집된 h' BaO 층의 고유 산소 결손에 의해 가능해집니다. 결과적으로, 산화물의 높은 수분 함량은 더 높은 양성자 농도 및 강화된 양성자 호핑과 같은 다양한 메커니즘을 통해 양성자 전도도를 증가시킵니다.

두 번째 중요한 특성은 양성자가 Ba2LuAlO5를 통해 이동하는 방식과 관련이 있습니다. 시뮬레이션 결과, 양성자는 AlO4 층을 통해서가 아니라 입방체로 밀집된 c BaO3 층을 형성하는 LuO6 층의 경계면을 따라 주로 확산되는 것으로 나타났습니다. 이 정보는 다른 양성자 전도성 물질을 찾는 데 중요할 수 있습니다.

연구진은 향후 연구에서 Ba2LuAlO5를 기반으로 하는 다른 양성자 전도성 물질을 찾을 것으로 기대합니다.

Ba2LuAlO5의 화학 조성을 변경함으로써 양성자 전도성의 추가 향상을 기대할 수 있습니다. 예를 들어, 페로브스카이트 관련 산화물 Ba2LuAlO5도 그 구조가 Ba2LuAlO5의 구조와 매우 유사하기 때문에 높은 전도성을 나타낼 수 있습니다.

자원

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu, and Masatomo Yashima (2023) "High Proton Conduction in Ba2LuAlO5 with Highly Oxygen Deficient Layers" Communications Materials doi: 10-403

2023년 6월 7일에 게시됨: 연료 전지, 시장 배경, 재료 | 고유링크 | 댓글 (0)