Ao longo dos últimos anos, as células de combustível se tornaram um ponto focal de pesquisa em tecnologia amiga do ambiente por causa de suas habilidades superiores de armazenar e produzir energia renovável e combustível limpo. Um tipo típico de célula de combustível ganhando terreno é a célula de combustível condutora de prótons, que é feito principalmente de materiais através dos quais íons de hidrogênio (prótons:H ⁺ ), pode mover-se facilmente. Materiais condutores de prótons fornecem uma série de vantagens sobre as células de combustível comumente usadas que compreendem condutores de íon óxido para eletrólitos, como maior condutividade em temperaturas baixas e intermediárias, vidas mais longas, e custos mais baixos.

Contudo, apenas um número limitado de tais materiais é conhecido e sua aplicação no desenvolvimento de células de combustível permaneceu amplamente em escala de laboratório. Para realmente alcançar uma economia de energia sustentável, novos condutores de prótons com alta condutividade precisam ser descobertos que possam permitir o aumento de escala eficiente e de baixo custo dessas tecnologias.

Cientistas da Tokyo Tech e ANSTO se propuseram a atender a essa necessidade, e em um estudo recente, identificou um novo material condutor de prótons que pode ser um representante de uma família inteira de condutores de prótons.

O material em questão possui a fórmula química Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ e é classificado como um "óxido relacionado à perovskita hexagonal". Prof Masatomo Yashima, quem liderou o estudo, explica:"A condução de prótons em óxidos normalmente ocorre por meio do salto de prótons entre os íons de óxido. Portanto, a estrutura cristalina e o ambiente local em torno dos íons de óxido têm um impacto tremendo nas possíveis vias de condução. Isso explica porque a alta condutividade do próton foi relatada em apenas um número limitado de materiais. "

O professor Yashima e sua equipe observaram que a estrutura do Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ contém camadas deficientes de oxigênio e sua condutividade de prótons é maior do que a dos condutores de prótons representativos, que são criados pela introdução artificial de deficiências de oxigênio nas estruturas cristalinas de certos materiais. Eles perceberam que esta deficiência intrínseca de oxigênio de Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ poderia dar-lhe uma vantagem notável sobre os condutores de prótons convencionais, eliminando um grande problema neles:sua instabilidade e a dificuldade de sintetizar amostras composicionalmente homogêneas.

Eles conduziram uma série de experimentos para elucidar os mecanismos subjacentes a essa propriedade. Investigações iniciais mostraram que a condutividade de prótons de Ba5Er2Al2ZrO13 é alta em temperaturas intermediárias e baixas que são essenciais para potenciais aplicações industriais. Após mais experimentação, descobriu-se que as moléculas de água (H2O) no ar podem se dissolver nas camadas deficientes de oxigênio do cristal, onde o oxigênio da água é separado do hidrogênio para produzir H + móvel. Esses H + então "saltam através dos íons de óxido" dentro das camadas deficientes de oxigênio, permitindo alta condutividade de prótons.

Este fenômeno não se restringe a este material em particular. A equipe sintetizou outros materiais com estruturas semelhantes e conduziu testes preliminares em sua condutividade elétrica. Eles encontraram resultados comparáveis ​​aos de Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . Dr. Assistente Taito Murakami, primeiro autor do estudo, explica:"Nossos resultados sugerem que as camadas deficientes de oxigênio em óxidos relacionados à perovskita hexagonal podem ser um bloco estrutural geral que confere alta condutividade de prótons. Essas camadas podem ser encontradas em vários óxidos além de Ba ₅ Er ₂ Al ₂ ZrO ₁₃ . "

Esta descoberta de toda uma nova gama de materiais condutores de prótons intrinsecamente elevados, e o mecanismo de sua condutividade de prótons, poderia levar a pesquisa neste campo a novos horizontes. Dr. James R. Hester da ANSTO, que também participaram do estudo, observa:"Nosso trabalho apresenta uma estratégia potencial para projetar condutores de prótons superiores com base nas camadas deficientes de oxigênio de alguns óxidos relacionados à perovskita." Esperançosamente, este trabalho representa um passo em direção a um futuro mais limpo.