Протонная проводимость: новый метрика открывает секреты материалов

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новаторскую физическую модель, которая позволяет предсказывать подвижность протонов в различных оксидах металлов. Эта разработка может стать ключом к созданию более эффективных энергетических устройств.

Современные технологии, такие как топливные элементы, электролизеры и энергоэффективная электроника, активно используют протоны в качестве основного носителя заряда. Успех этих технологий напрямую зависит от эффективности переноса протонов.

Оксиды металлов продемонстрировали потенциал в качестве протонных проводников при высоких температурах (свыше 400 градусов Цельсия). Однако задача повышения их проводимости при более низких температурах и, соответственно, общей эффективности, оставалась нерешенной.

Новая модель MIT позволяет ранжировать ключевые свойства оксидов металлов, способствующие протонной проводимости. Впервые было продемонстрировано, насколько важна гибкость оксидных ионов материала для улучшения переноса протонов.

«Понимание механизма процесса и определяющих его свойств материала позволяет нам настраивать эти свойства для ускорения процесса — в данном случае, протонной проводимости», — отмечает Бильге Йылдыз, ведущий автор исследования.

Исследователи считают, что их выводы помогут ученым и инженерам в разработке материалов для более эффективных энергетических технологий. Протоны, будучи легче, меньше и более распространенными, чем, например, ионы лития, открывают новые перспективы.

«Мы стремимся понять количественные взаимосвязи между переносом протонов и структурными, химическими, электронными и динамическими характеристиками материала. Это поможет нам отбирать перспективные соединения из баз данных или даже создавать новые с помощью инструментов генеративного ИИ», — добавляет Йылдыз.

Ключевые аспекты протонной проводимости

Протоны, положительно заряженные ядра водорода, отличаются от других ионов тем, что у них нет собственных электронов. Это заставляет их «встраиваться» в электронные облака соседних ионов и перемещаться между ними. В оксидах металлов протоны встраиваются в ионы кислорода, образуя ковалентную связь, и перемещаются к ближайшему иону кислорода через водородную связь. После каждого «прыжка» ковалентная связь H-O вращается, предотвращая движение протона в обратном направлении.

Команда MIT ввела метрику «O…O fluctuation» для количественной оценки гибкости решетки оксидных ионов. Это изменение расстояния между ионами кислорода, обусловленное фононами при конечной температуре.

Исследователи проанализировали семь факторов, влияющих на подвижность протонов, включая структурные и химические свойства. Модель показала, что двумя наиболее важными факторами являются длина водородной связи и гибкость кислородной подрешетки, определяемая метрикой «O…O fluctuation».

Более короткая водородная связь улучшает перенос протонов, что соответствует предыдущим исследованиям. Вторая по важности характеристика — гибкость кислородных ионов: чем они более подвижны, тем лучше протонная проводимость.

Будущее протонных проводников

Разработанная модель может быть использована для оценки протонной проводимости широкого спектра материалов. «Мы считаем, что наши выводы применимы ко многим неорганическим протонным проводникам, учитывая разнообразие изученных локальных химических и структурных свойств», — утверждает Йылдыз.

Помимо отбора существующих материалов, результаты исследования могут служить основой для обучения генеративных моделей ИИ, способных создавать новые соединения с оптимальной протонной проводимостью. Это открывает путь к созданию нового поколения высокоэффективных экологически чистых энергетических технологий и энергоэффективных вычислительных устройств.

«Существуют обширные базы данных материалов, которые можно будет анализировать на основе выявленных нами закономерностей», — заключает Йылдыз. «Если материал с нужными параметрами не существует, мы сможем создавать новые. Это позволит повысить энергоэффективность и жизнеспособность технологий преобразования чистой энергии и низкопотребляющих вычислительных устройств. Следующий шаг — понять, как создавать более гибкие подрешетки оксидных ионов, которые обеспечивают перколяцию, и какие метрики состава и структуры использовать для их проектирования».*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.