Ceramiczne przewodniki protonowe
W 1980 roku Takahashi i Iwahara odkryli zjawisko przewodnictwa protonowego w ceramicznych materiałach tlenkowych, co stworzyło nowe możliwości w projektowaniu różnego rodzaju urządzeń elektrochemicznych.
Materiały o strukturze perowskitu
Materiałami tlenkowymi będącymi przewodnikami protonowymi są przede wszystkim związki o strukturze perowskitu o ogólnym wzorze ABO3, gdzie w pozycji A występuje dwuwartościowy kation z grupy pierwiastków ziem alkalicznych (np. Ba2+, Sr2+, Ca2+), natomiast w położeniu B zazwyczaj jon Ce4+ lub Zr4+. Nazwa tej grupy związków pochodzi od minerału perowskitu CaTiO3 (Rys.1), odkrytego w 1838 roku w górach Ural przez Gustava Rose i nazwanego na cześć rosyjskiego mineraloga L. A. Perowskiego.
Idealna struktura typu perowskitu jest regularna i tworzy ją niezbyt liczna grupa tlenków, w których kationem A jest stront lub bar, np. SrTiO3, SrZrO3 czy BaZrO3. W idealnej strukturze oktaedry BO6, połączone narożami, znajdują się w narożach sześciennej komórki elementarnej, natomiast kation A o liczbie koordynacyjnej 12 lokuje się w jej centrum. Spośród licznej grupy przewodników protonowych najwyższym przewodnictwem jonowym odznaczają się tlenki na bazie BaCeO3-d, jednak z uwagi na ich niską stabilność chemiczną w wysokich temperaturach komercjalizacja tych materiałów w ogniwach paliwowych jest ograniczona. Porównując właściwości cyrkonianów o wzorze ogólnym AZr1-xMxO3 (A= Ba, Sr, M= Y, Yb, Gd) z odpowiednimi ceranami ACe1-xMxO3 można stwierdzić, że cyrkoniany oprócz bardzo dobrych właściwości mechanicznych odznaczają się dużo wyższą odpornością w obecności CO2, H2S czy H2O, jednak wartość ich przewodności jonowej jest niższa. Z przeprowadzonych wielostronnych badań można wnioskować, że uzyskanie elektrolitów charakteryzujących się zarówno wysokim przewodnictwem protonowym, jak i dużą stabilnością chemiczną jest bardzo utrudnione.
Zastosowanie
Wysokotemperaturowe przewodniki protonowe HTPC (ang. high-temperature proton conductors) w ostatnich latach budzą coraz większe zainteresowanie jako potencjalne materiały elektrolitowe do zastosowania w przewodzących protonowo stałotlenkowych ogniwach paliwowych typu SOFC-H+ (ang. protonic solid oxide fuel cell). Czytaj dalej…