Диоксид титана с ниобием может стать основой для устройств водородной энергетики нового поколения

Схематические изображения смешанной протонно-электронной проводимости в TiO₂, легированном Nb, и измерение протонной проводимости с использованием протонпроводящего фосфатного стекла. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c05805

Эффективность топливных элементов — устройств, преобразующих химическую энергию в электрическую — зависит от того, насколько хорошо ионы могут перемещаться через материал элемента. Большинство современных топливных элементов работают при высоких температурах выше 500 °C.

Чтобы снизить затраты и расширить спектр используемого топлива, исследователи стремятся разработать топливные элементы, эффективно работающие в промежуточном температурном диапазоне 200–500 °C. Однако прогресс сдерживался отсутствием материалов, способных эффективно проводить ионы при таких температурах.

Команда из Университета Тохоку обнаружила новый материал, который может эффективно проводить как протоны, так и электроны в «умеренном» температурном диапазоне.

Свои выводы они опубликовали в Journal of the American Chemical Society.

«Такие материалы необходимы для разработки устройств водородной энергетики следующего поколения, таких как топливные элементы и мембраны для разделения водорода», — пояснил Томоюки Ямасаки, доцент Института многодисциплинарных исследований перспективных материалов Университета Тохоку.

«Эти устройства помогают преобразовывать водород в электричество или производить водород более эффективно, что способствует переходу к устойчивому низкоуглеродному обществу».

Исследователи обнаружили, что диоксид титана (TiO₂), легированный ниобием (Nb), функционирует как смешанный проводник с высокой протонной и электронной проводимостью при умеренных температурах. Nb действует как донор электронов, увеличивая плотность электронов в кристалле. Хотя это усиливает электронную проводимость, роль Nb выходит за эти рамки.

Nb стабилизирует протоны внутри кристалла TiO₂, позволяя материалу поглощать в 10–100 раз больше водорода, чем нелегированный TiO₂. Кроме того, Nb ослабляет связь между положительно заряженными протонами и отрицательно заряженным Ti, позволяя протонам быстро диффундировать. В совокупности эти эффекты приводят к быстрой и одновременной проводимости как протонов, так и электронов.

Схематические изображения механизма быстрой протонной диффузии за счёт легирования TiO₂ ниобием. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c05805

«Эта работа предлагает новую концепцию: легирование донорами электронов увеличивает плотность электронов, что, в свою очередь, усиливает протонную проводимость», — отметил Такахиса Омата, профессор Института многодисциплинарных исследований перспективных материалов Университета Тохоку.

Для измерения протонной проводимости команда использовала разработанный ими протонпроводящий стеклянный электролит. Это стекло проводит протоны, но блокирует электроны, что позволяет точно измерить протонную проводимость даже в электронном проводнике.

«Эта методика позволила нам чётко изолировать и оценить протонную проводимость в сильном электронном проводнике, — сказал Ямасаки. — Измеренная нами протонная проводимость выше, чем у многих известных протонпроводящих электролитов при той же температуре».

Это первое сообщение о демонстрации того, как легирование донорами электронов способствует одновременной протонной и электронной проводимости при промежуточных температурах. Эта работа может значительно расширить спектр материалов, доступных для будущих энергетических технологий, включая топливные элементы и мембраны для разделения водорода.

Дополнительная информация: Takuma Shiraiwa et al, Enhanced Proton Transport in Nb-Doped Rutile TiO2: A Highly Useful Class of Proton-Conducting Mixed Ionic Electronic Conductors, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c05805

Источник: Tohoku University