Nghiên cứu thực hiện tại Viện khoa học Tokyo, với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu từ Đại học Hoàng gia London (Vương quốc Anh) và Đại học Kyushu (Nhật Bản).
Ba7Nb4MoO20 hoạt động thậm chí còn tốt hơn khi tiếp xúc với hơi nước, vì nước giúp tạo ra các ion oxy bổ sung, di chuyển nhanh chóng qua vật liệu. Sự gia tăng chuyển động ion này, gần như giúp tăng gấp đôi hiệu suất của pin ở nhiệt độ 500 độ C.
Pin nhiên liệu tạo ra năng lượng sạch và được sử dụng trong các sứ mệnh không gian để tạo ra điện và nước uống. Một số pin nhiên liệu sử dụng chất điện phân nhưng thường hoạt động ở nhiệt độ rất cao (lên đến 1.000 độ C). Quá trình này khiến các bộ phận bị mòn nhanh hơn.
Việc cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu đã và đang là chủ đề được nhiều kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm. Đặc biệt, nhu cầu phát triển các chất điện phân có độ dẫn điện cao ở nhiệt độ thấp là rất lớn.
Ba7Nb4MoO20 là loại tinh thể đặc biệt, được gọi là oxit liên quan đến perovskite lục giác. Trong vật liệu này, các ion oxit (O²⁻) di chuyển qua các vị trí xen kẽ trong một phần cấu trúc tinh thể của nó với ít nguyên tử oxy hơn bình thường.
Sự di chuyển này, được gọi là khuếch tán xen kẽ, khiến vật liệu trở thành chất dẫn ion tốt trong cả điều kiện ẩm ướt và khô ráo. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ về cách nước (hydrat hóa) ảnh hưởng đến sự di chuyển các ion oxit này và độ dẫn điện của vật liệu.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu chế tạo các viên Ba7Nb4MoO20 và quan sát đặc tính vận chuyển của chúng trong điều kiện khô và ướt ở các nhiệt độ khác nhau. Sử dụng oxy và hơi nước, họ đo suất điện động để đánh giá sự đóng góp của O²⁻ và H+ vào độ dẫn điện.
Ngoài ra, họ còn sử dụng các thí nghiệm khuếch tán chất đánh dấu để theo dõi sự khuếch tán các ion oxit bên trong vật liệu. Khi vật liệu tiếp xúc với hơi nước, khả năng dẫn điện của nó tăng mạnh so với khi ở trong không khí khô. Các hạt chính mang điện tích là các ion oxit (O²⁻).
Ở nhiệt độ 500 độ C, chuyển động của oxy bên trong vật liệu tăng gần gấp đôi, độ dẫn điện tổng thể của nó trong không khí ẩm (5,3 x 10⁻⁴ S/cm) cao hơn gấp đôi so với trong không khí khô (2,5 x 10⁻⁴ S/cm).
Sự gia tăng độ dẫn điện xảy ra do vật liệu hấp thụ hơi nước, bổ sung thêm các ion oxy vào các khoảng trống nhỏ trong cấu trúc của nó. Mô phỏng máy tính cho thấy, các ion bổ sung này tạo thành các cặp nguyên tử được gọi là dimer (Nb/Mo)₂O₉ bên trong tinh thể.
Khi các dimer này bị phá vỡ và tái tạo, các ion oxy có thể di chuyển dễ dàng. Hiện tượng này làm cho vật liệu dẫn điện tốt hơn. Khám phá này được công bố trên tạp chí Materials Chemistry A.
