来自东京理工大学的科学家报告说，发现Ba2LuAlO5是一种有前途的质子导体，为质子陶瓷燃料电池描绘了一个光明的前景。实验表明，这种新型材料即使没有任何额外的化学修饰，也具有非常高的质子导电性，分子动力学模拟揭示了其根本原因。这些新的见解可能为更安全和更有效的能源技术铺平道路。
当谈及可持续性时，一个社会产生能源的方式是一些最重要的考虑因素。渴望最终取代煤炭和石油等传统能源，世界各地的科学家正试图开发安全和更有效地生产能源的环保技术。其中，自20世纪60年代以来，燃料电池作为一种直接从电化学反应中生产电力的有前途的方法，一直在稳步获得关注。
然而，基于固体氧化物的典型燃料电池有一个明显的缺点，即它们在高温下工作，通常超过700℃。这就是为什么许多科学家把重点放在质子陶瓷燃料电池（PCFCs）上。这些电池使用特殊的陶瓷来传导质子（H+），而不是氧化物阴离子（O2-）。由于质子陶瓷燃料电池的工作温度在300至600°C之间，因此与大多数其他燃料电池相比，质子陶瓷燃料电池能够以较低的成本确保稳定的能源供应。不幸的是，目前只有少数具有合理性能的质子导电材料是已知的，这减缓了该领域的进展。
后来，该团队试图找出这一特性的根本原因。通过分子动力学模拟和中子衍射测量，他们了解到Ba2LuAlO5的两个重要特征。首先，与其他类似材料相比，这种氧化物吸收了大量的水（H2O），形成Ba2LuAlO5*xH2O（x=0.50）。这种大量的吸水，发生在两个对立的AlO4四面体层内，是由于六边形紧密堆积的h'BaO层内有大量的固有氧空位而实现的。反过来，氧化物较高的水含量通过各种机制增加其质子导电性，如较高的质子浓度和增强的质子跳跃。
第二个重要特征与质子如何在Ba2LuAlO5中移动有关。模拟显示，质子主要沿着LuO6层的界面扩散，这些界面形成立方体紧密堆积的c BaO3层，而不是通过AlO4层。这一信息可能对寻找其他质子导电材料至关重要，正如Yashima所解释的："我们的工作提供了新的设计准则，为未来开发更高性能的质子导体开辟了未曾探索过的途径。"
研究人员期望在接下来的研究中找到基于Ba2LuAlO5的其他质子导电材料。"通过修改Ba2LuAlO5的化学成分，可以预期质子导电性的进一步改善，"Yashima教授评论说，"例如，与包晶石相关的氧化物Ba2InAlO5也可能表现出高导电性，因为其结构与Ba2LuAlO5相当相似。"
为了应对这一挑战，一个研究小组，包括来自日本东京工业大学（Tokyo Tech）的Masatomo Yashima教授，一直在寻找用于PCFCs的良好质子导体候选材料。在他们发表在《通信材料》上的最新研究中，该团队报告了Ba2LuAlO5的显著特性，这是一种新的六方包晶石相关氧化物，为质子传导提供了有趣的见解。
Yashima及其同事发现了Ba2LuAlO5，同时专注于寻找具有大量内在氧空位的化合物。这是因为以前的研究结果强调了这些空位在质子传导中的重要性。在Ba2LuAlO5样品上的实验显示，这种材料在低温下具有很高的质子传导率--在487℃时其传导率为10-2 S cm-1，在232℃时为1.5×10-3 S cm-1--即使没有额外的化学细化，如掺杂。
