BA7NB4MOO20, un electrolito cerámico con potencial de celdas de combustible a baja temperatura, se vuelve casi el doble conductor cuando se expone al vapor de agua a 500 ° C. La mejora es impulsada por una mayor movilidad de iones de óxido en el material y podría conducir a celdas de combustible más eficientes y duraderas. Crédito: Instituto de Ciencias Tokio
La hidratación aumenta significativamente la conductividad iónica en BA7NB4MOO20, un prometedor candidato de electrolitos cerámicos para celdas de combustible de óxido sólido de baja temperatura, pero su origen y especies iónicas móviles fueron problemas no resueltos. Ahora, los investigadores del Instituto de Ciencias Tokio han encontrado que la exposición al vapor de agua mejora la movilidad de iones de óxido al aumentar los iones de oxígeno intersticial, casi duplicando la conductividad del ión óxido a 500 ° C. Los hallazgos de este estudio podrían avanzar en el desarrollo de celdas de combustible eficientes y duraderas para aplicaciones de energía limpia.
Las celdas de combustible generan electricidad combinando hidrógeno y oxígeno, produciendo solo agua como subproducto. Una vez utilizado para proporcionar energía y agua potable para misiones espaciales, ahora se están explorando celdas de combustible como fuente de energía de baja emisión.
Las celdas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito utilizado; Cada tipo tiene ventajas y inconvenientes específicos. Una categoría incluye celdas de combustible de óxido sólido y celdas de combustible de cerámica de protones, que usan cerámica como electrolitos. Estas celdas de combustible funcionan a altas temperaturas, hasta 1,000 ° C, lo que elimina la necesidad de catalizadores de metales preciosos costosos. Sin embargo, las altas temperaturas también aceleran la degradación del material; Por lo tanto, es crucial desarrollar electrolitos altamente conductores a temperaturas más bajas.
El reciente estudio dirigido por el profesor Masatomo Yashima en el Instituto de Ciencias Tokio (Science Tokyo), Japón, en colaboración con investigadores del Imperial College London y la Universidad de Kyushu, destaca BA7NB4MOO20 como un material electrolítico prometedor. El equipo descubrió que la conductividad y la difusividad del iones de óxido del material mejoró significativamente cuando se expuso al vapor de agua, ofreciendo una vía hacia celdas de combustible más eficientes y de baja temperatura.
El recomendaciones se publicaron en línea el 18 de julio de 2025 en el Journal of Material Chemistry A, donde el documento fue seleccionado como un documento caliente en honor a su impacto y contribución.
Yashima dice: “Se ha descubierto un nuevo ‘material inteligente’ que mejora la movilidad de iones de oxígeno dentro de la cerámica mientras absorbe agua”.
BA7NB4MOO20 es un óxido hexagonal relacionado con la perovskita donde los iones de óxido (O2-) migran a través de los sitios intersticiales en una capa de cierre cúbico (CCP) deficiente en oxígeno en su estructura cristalina. Los materiales que exhiben este mecanismo de difusión intersticial han mostrado una alta conductividad iónica en condiciones húmedas y secas. Sin embargo, el impacto de la hidratación en el transporte de O2 y la conductividad de BA7NB4MOO20 no se comprendió bien.
Para resolver este problema, los investigadores sintetizaron gránulos BA7NB4MOO20 e investigaron sus propiedades de transporte en condiciones secas y húmedas a diferentes temperaturas. Midieron la fuerza electromotriz usando células de concentración de agua de oxígeno y vapor para evaluar las contribuciones de O2 y H+ a la conductividad eléctrica. También realizaron experimentos de difusión trazadores para rastrear la difusión de iones de óxido dentro del material.
Cuando se expuso al vapor de agua, la conductividad del material aumentó significativamente en comparación con el aire seco, y el O2- se identificó como el portador de carga dominante. A 500 ° C, la difusividad de oxígeno casi se duplicó, y la conductividad total del material en el aire húmedo (5.3 × 10‒4 s cm‒1) fue más del doble que en condiciones secas (2.5 × 10‒4 s cm‒1).
Este comportamiento se atribuyó a un aumento en los átomos de oxígeno intersticial debido a la absorción de vapor de agua. Utilizando simulaciones de dinámica molecular con potencial de red neuronal, los investigadores encontraron que la hidratación introduce iones O2 adicionales, que ocupan dímeros intersticiales y forma (NB/Mo) 2O9 dentro de la red. La desaparición y la reforma de los dímeros mejoran la movilidad O2, mejorando la conductividad O2 del material.
Este estudio aborda una brecha clave de conocimiento en los conductores de oxígeno intersticial al revelar cómo la hidratación mejora la conductividad y movilidad de O2 en BA7NB4MOO20. Estos hallazgos podrían conducir al desarrollo de celdas de combustible más duraderas y eficientes que operan a temperaturas más bajas, lo que ayuda a superar una barrera importante para su adopción más amplia.
“Comprender la conducción de O2 y H+ en los conductores de iones de óxido cerámico, protón y iones de doble iones es vital para la energía limpia”, dice Yashima.
“Se espera que este avance en la ciencia de los materiales avance en gran medida el desarrollo de conductores de iones, que son esenciales para tecnologías de energía limpia, como celdas de combustible y células de electrólisis de vapor. Estas tecnologías son componentes clave para construir una sociedad sostenible de próxima generación y lograr los objetivos de desarrollo sostenibles de las Naciones Unidas”.
Más información: Yuichi Sakuda et al, mejora impulsada por la hidratación de la difusión de iones de óxido intersticial, Journal of Materials Chemistry A (2025). Doi: 10.1039/d5ta04728e
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Tokio
Cita: El vapor de agua casi duplica la conductividad del iones de iones en la prometedora cerámica de celdas de combustible (2025, 11 de agosto) recuperada el 11 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-vapor-oxide-ion-fuel-cell.html
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