Mechanism of Low‐Temperature Protonic Conductivity in Bulk, High‐Density, Nanometric Titanium Oxide

材料科学 电导率 化学物理 质子 氧化物 电离 电解质 热传导 陶瓷 化学工程 离子 物理化学 复合材料 有机化学 电极 化学 工程类 冶金 物理 量子力学
作者
Ilenia G. Tredici,Filippo Maglia,Chiara Ferrara,Piercarlo Mustarelli,Umberto Anselmi‐Tamburini
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:24 (32): 5137-5146 被引量:25
标识
DOI:10.1002/adfm.201400420
摘要

Uncovering the mechanism of low‐temperature protonic conduction in highly dense nanostructured metal oxides opens the possibility to exploit the application of simple ceramic electrolytes in proton exchange fuel cells, overcoming the drawbacks related to the use of polymeric membranes. High proton conducting, highly dense (relative density 94 vol%) TiO 2 samples are prepared by a fast pressure‐assisted sintering method, which allows leaving behind an interconnected network of open nanoporosity. Solid‐state 1 H NMR is used to characterize the presence of strongly associated water confined in the nanopores and hydroxyl moieties bonded to the pores walls, providing a model to explain the unusually high protonic conductivity. At the lowest temperatures ( T < 55 °C) protons hop between confined water molecules, according to a Grotthuss mechanism. The resulting conductivity values are however much higher than those of liquid water, indicating a significant increase in the charge carriers concentration. At higher temperatures (up to 450 °C) unexpected proton conduction is still present, thanks to the persistence of hydroxyl groups, derived from water chemisorption, which still produce protons by ionization. The phenomenon is strongly dependent on grain size, and not explicable by simple geometric brick‐layer models, suggesting that the enhanced ionization could rely on space charge region effects.
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