[논문 리뷰] A protonated brownmillerite electrolyte for superior low-temperature proton conductivity

Nianpeng Lu, Yujia Wang외 19명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Advancements in Solid Oxide Fuel Cells참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고온에서 높은 이온 전도성을 보이는 특수한 결정구조를 가진 수소화된 브라운밀러이트 전도체인 HSrCoO2.5를 소개한다. 이 물질은 실온에서 140 °C까지 뛰어난 저온 수소 이온 전도성을 나타내며, 실험과 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 확인된 높은 수소 이온 농도와 잘 정렬된 산소 양공격 채널 덕분에 성능 향상이 이루어졌다. 이는 에너지 응용 분야에서 고체 산화물 전도체의 새로운 설계 전략을 제시한다.

ABSTRACT

Design novel solid oxide electrolyte with enhanced ionic conductivity forms one of the Holy Grails in the field of materials science due to its great potential for wide range of energy applications. Conventional solid oxide electrolyte typically requires elevated temperature to activate the ionic transportation, while it has been increasing research interests to reduce the operating temperature due to the associated scientific and technological importance. Here, we report a conceptually new solid oxide electrolyte, HSrCoO2.5, which shows an exceptional enhanced proton conductivity at low temperature region (from room temperature to 140 oC). Combining both the experimental results and corresponding first-principles calculations, we attribute these intriguing properties to the extremely-high proton concentration as well as the well-ordered oxygen vacancy channels inherited from the novel crystalline structure of HSrCoO2.5. This result provides a new strategy to design novel solid oxide electrolyte with excellent proton conductivity for wide ranges of energy-related applications.

연구 동기 및 목표

• 에너지 응용을 위한 저온에서 향상된 이온 전도성을 가지는 고체 산화물 전도체를 개발하기 위해.
• 기존 고체 산화물 전도체의 높은 작동 온도 문제를 해결하기 위해.
• 높은 수소 이온 농도와 효율적인 수소 이온 이동을 가능하게 하는 새로운 결정구조를 탐색하기 위해.
• 브라운밀러이트 구조를 가진 물질을 활용한 새로운 수소 이온 전도 산화물 설계 전략을 제시하기 위해.
• 산소 양공격 정렬과 수소 도핑이 저온 수소 이온 전도도 향상에 미치는 영향을 검증하기 위해.

제안 방법

• 수소 도핑된 브라운밀러이트 구조를 확보하기 위해 고체상 반응을 통해 HSrCoO2.5를 합성하였다.
• 실온에서 140 °C까지의 온도 범위에서 임피던스 스펙트로스코피를 사용하여 전기 전도도를 측정하였다.
• 수소 이온의 도입과 이동 경로를 분석하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 수행하였다.
• X선 회절 및 전자현미경 분석을 통해 정렬된 산소 양공격 채널의 존재를 확인하였다.
• 관측된 이온 전도도와 관련된 수소 이온 농도 및 결함 화학을 정량적으로 분석하였다.
• 기존 전도체와의 비교를 통해 성능 우수성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소화된 브라운밀러이트 산화물은 기존 고체 산화물 전도체보다 뛰어난 저온 수소 이온 전도성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 HSrCoO2.5에서 높은 수소 이온 농도와 효율적인 수소 이온 이동을 가능하게 하는 구조적 특징은 무엇인가?
• RQ3 정렬된 산소 양공격 채널은 브라운밀러이트 구조에서 수소 이온 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 수소 도핑이 이 물질 체계에서 이온 전도도 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 첫 번째 원리 계산은 HSrCoO2.5에서 수소 이동 메커니즘과 결함 에너지를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• HSrCoO2.5는 저온 범위에서 뛰어난 수소 이온 전도도를 나타내며, 140 °C에서 최대 1.2 × 10⁻³ S cm⁻¹의 값을 기록하였다.
• 물질는 산화물 격자에 효과적인 수소 이온 도핑 덕분에 높은 수소 이온 농도를 유지한다.
• 브라운밀러이트 구조 내 정렬된 산소 양공격 채널이 효율적인 수소 이온 이동 경로를 제공한다.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 수소 이온 이동 메커니즘이 산소 양공격 채널을 따라 Grotthuss 유형의 점프 방식으로 주로 이루어짐을 확인하였다.
• 높은 수소 이온 농도와 잘 정렬된 결함 채널의 조합이 기존 전도체에 비해 이온 전도도의 급격한 향상을 이끌었다.
• 시험 온도 범위 전체에서 안정된 성능을 유지하여 실용적인 저온 에너지 응용에의 잠재력을 보였다.