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Pesquisadores elucidam mecanismo de alta condução de prótons para desenvolver materiais para energia limpa
Dispositivos eletroquímicos, como células a combustível, estão se tornando indispensáveis para novas tecnologias de geração de energia porque podem produzir energia renovável de forma eficiente. Condutores de prótons cerâmicos podem ser usados em muitas aplicações, incluindo células a combustível de cerâmica protônica (PCFCs), bombas de hidrogênio, sensores e membranas de separação.
Em particular, as PCFCs baseadas em condutores de prótons cerâmicos são promissoras, pois podem trabalhar em temperaturas mais baixas em comparação com as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) convencionais, graças à maior condutividade do próton em baixas temperaturas.
No entanto, os condutores de prótons cerâmicos convencionais enfrentam um problema: para exibir uma condutividade adequada de prótons, eles precisam ter ‘vagas’ de oxigênio que permitam a incorporação de água. Na maioria dos casos, as vagas são criadas por substituição química, que costuma ser um processo difícil. Neste sentido, um grupo de pesquisadores liderados pelo Dr. Yashima, professor do Departamento de Química do Instituto de Tecnologia de Tóquio (TITech), no Japão, explorou os óxidos hexagonais condutores de prótons relacionados à perovskita. A estrutura cristalina desses óxidos contém camadas que são intrinsecamente deficientes em oxigênio, o que permite alta condutividade de prótons sem substituição química. No entanto, o mecanismo de condução ainda não estava claro.
Para esclarecer isso, o grupo de pesquisa liderado pelo professor Yashima recentemente analisou e comparou três tipos de óxidos: β-Ba2ScAlO5, α-Ba2Sc0.83Al1.17O5 e BaAl2O4. As camadas deficientes em óxido de todos esses três óxidos têm diferentes padrões de empilhamento. A equipe descobriu que enquanto o β-Ba2ScAlO5 mostrava alta condutividade de prótons, o α-Ba2Sc0.83Al1.17O5 e o BaAl2O4 estruturalmente relacionados tinham condutividades muito mais baixas. Os resultados foram publicados na revista científica Advanced Functional Materials. Também participaram do estudo pesquisadores da Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO).
O professor Yashima explicou brevemente a estrutura cristalina do β-Ba2ScAlO5. “Ele consiste em camadas duplas octaédricas separadas por camadas tetraédricas duplas. Estas últimas têm camadas hexagonais de BaO (h’) que são intrinsecamente deficientes em oxigênio. Seus papéis na condução de prótons foram explorados por vários métodos.”
“O estudo é um ótimo exemplo de como lidar com problemas complexos de pesquisa por meio da colaboração e mostra as capacidades e expertise da ANSTO em espalhamento de nêutrons e computação científica. O difratômetro Echidna no reator OPAL foi usado para elucidar estruturas cristalinas e simulações de dinâmica molecular também realizadas no ANSTO shed light para o mecanismo de condutividade de prótons “, disse o professor Dr. Max Avdeev, pesquisador da ANSTO.
O professor Yashima discutiu o potencial futuro do trabalho da equipe: “Nossos resultados oferecem uma estratégia para projetar óxidos hexagonais superiores relacionados à perovskita com camadas octaédricas e camadas intrinsecamente deficientes em oxigênio. A combinação dessas camadas com funções diferentes pode produzir condutores de prótons superiores para dispositivos de produção e armazenamento de energia renovável”.
Acesse o artigo científico completo (em inglês).
Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Tóquio (em inglês).
Fonte: TITech.
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