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(noticias nanowerk) El dopaje con donante en un material original con vacantes de oxígeno intrínsecos desordenadas, en lugar de la estrategia ampliamente utilizada de dopaje con aceptor en un material sin vacantes de oxígeno, puede mejorar significativamente la conductividad y la estabilidad de los conductores de protones de tipo perovskita a temperaturas medias y bajas de 250 a 250 °. C. 400°C como lo demostraron los científicos del Tokyo Tech (por ejemplo, 10 mS/cm a 320°C). Este enfoque innovador ofrece una nueva dirección de diseño para conductores de protones para pilas de combustible y celdas electrolíticas.
Muchos países de todo el mundo están presionando para desarrollar tecnologías energéticas sostenibles. En este sentido, las pilas electrolíticas/de combustible cerámicas protónicas (o conductoras de protones) (PCFC/PCEC) son un fuerte contendiente. Estos dispositivos pueden convertir energía química en electricidad y viceversa directamente y con cero emisiones a temperaturas bajas o medias, lo que los convierte en una opción atractiva para muchas aplicaciones nuevas, como las fuentes de energía distribuida de próxima generación. Además, a diferencia de otros tipos de pilas de combustible y electrolizadores, los PCFC/PCEC no requieren catalizadores de metales preciosos ni aleaciones costosas y resistentes al calor.
Sin embargo, no hay informes de conductores de protones que exhiban alta conductividad y alta estabilidad a temperaturas medias y bajas de 250 a 400 °C. Este problema se conoce como “brecha de Norby” y los científicos llevan muchos años buscando materiales que puedan superarlo.
Teniendo esto en cuenta, el profesor Masatomo Yashima y el Sr. Kei Saito del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech), Japón, propusieron recientemente una nueva estrategia que podría revolucionar el diseño y desarrollo de conductores de protones. Sus resultados serán publicados en la revista. comunicación de la naturaleza (“Alta conductividad de protones dentro de la ‘brecha de Norby’ mediante la estabilización de una perovskita con vacantes de oxígeno intrínsecos desordenadas”).
Los investigadores abordaron una de las principales desventajas de los modernos conductores de protones de tipo perovskita. Estos materiales tienen fórmula A2+b4+oh3, donde A y B son cationes más grandes y más pequeños, respectivamente. Una estrategia general para mejorar la conductividad de protones en tales perovskitas es introducir un dopante aceptor; es decir, un catión M3+ con un valor inferior a B4+.
Estas «impurezas» crean vacantes de oxígeno en la red cristalina resultante, lo que a su vez aumenta la conductividad de los protones. Sin embargo, este enfoque también introduce un problema conocido como «captura de protones», donde los protones son capturados por el dopante aceptor M.3+que tiene una carga negativa efectiva en comparación con el catión huésped B4+debido a la atracción electrostática.
Para evitar este problema, los investigadores recurrieron al BaScO2.5. Esta perovskita tiene vacantes de oxígeno intrínsecas (o inherentes) en su estructura cristalina que permiten el dopaje del donante. El equipo dona al donante dopante Mo.6+ en BASCO2.5 para producir BASc0,8Mes0,2oh2.8 (o “BSM20”). «A diferencia del método tradicional de dopaje con aceptor, el dopaje con donante puede reducir el efecto de captura de protones mediante la repulsión electrostática entre los protones y el Mo donante».6+ Cationes que tienen una valencia más alta que el catión huésped Sc3+“, explica el profesor Yashima. «Esto, a su vez, conduce a una alta conducción de protones».
Después de una serie de experimentos y análisis teóricos utilizando técnicas de simulación avanzadas, los investigadores demostraron que BSM20 ofrece una conductividad de protones excepcionalmente alta a temperaturas medias y bajas en Norby Gap. Además, el dopaje del donante ayudó a estabilizar una estructura cúbica de tipo perovskita y permitió una conducción tridimensional eficiente de protones en todo el material. En particular, BSM20 también demostró una estabilidad notablemente alta en atmósferas oxidantes, reductoras y de dióxido de carbono, una propiedad esencial para muchas aplicaciones prácticas.
En general, los resultados de este estudio podrían allanar el camino para la creación de nuevos conductores de protones para PCFC/PCEC con un rendimiento sin precedentes. «Las estrategias propuestas y el descubrimiento de BSM20 podrían tener importantes implicaciones para la ciencia y la tecnología energéticas y medioambientales», concluye el profesor Yashima.
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