日本东京工业大学理学院化学系的村上泰斗特任助教和八岛正知教授等人组成的研究团队，发现了在中低温区域表现出全球最高水平的质子（H+，氢离子）传导率的新材料Ba5Er2Al2ZrO13。该研究团队还与澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）的海斯特·詹姆斯（Hester James）博士共同实施了中子衍射测量和晶体结构解析，明确了这种新材料具有的高质子传导率的物理机制。此次发现的新型质子交换膜无需进行化学置换即表现出很高的质子传导率，因此不存在以往的材料稳定性和均匀性问题，有望作为新型质子导体及其设计方法应用于广泛的领域。
研究成果
现有的质子交换膜大多通过用低价阳离子化学置换晶格中的部分阳离子来导入氧空位，质子导体与水蒸气H2O发生反应后，H2O中的O进入氧空位，同时质子被质子导体吸收，由此表现出质子传导性。
对于基于质子的电解质的开发，在中等温度（300–600°C）下高质子传导性至关重要，但是可用的材料仅限于有限的结构族，例如立方钙钛矿。在此，我们报道六方钙钛矿相关氧化物Ba5Er2Al2ZrO13是一种新型的质子导体，在300至1200°C之间的电导率高于10–3Scm–1。发现作为质子的质子存在于Ba5Er2Al2ZrO13的固有缺氧h'层中，这由Rietveld中子衍射数据分析，基于键合价的能量计算以及热重分析提供支持。我们发现具有固有的缺氧h'层的质子导体的新结构族，为基于六方钙钛矿相关氧化物的优质质子导体的设计提供了一种策略。
另一方面，研究表明，此次发现的新材料由于晶体中的h′层本来就存在氧空位，因此无需进行化学置换就表现出高质子传导率（图1）。此外，晶体结构解析和热重测量也表明质子实际存在于h′层，而且负责导电。
okok图1：（a）新型质子导体Ba5Er2Al2ZrO13的晶体结构。（b）Ba5Er2Al2ZrO13与各种质子导体的质子传导率比较（©American Chemical Society, 八岛正知、村上泰斗）
论文信息
题目：High Proton Conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a Hexagonal Perovskite-Related Oxide with Intrinsically Oxygen-Deficient Layers
期刊：《Journal of the American Chemical Society》
DOI：10.1021/jacs.0c02403