最近在東京科學院進行的一項研究顯示，水蒸氣能顯著提高以 Ba7Nb4MoO20 為基材的燃料電池效率。這種陶瓷電解質材料在燃料電池中的潛力受到廣泛關注，研究團隊還包括來自倫敦帝國學院和九州大學的科研人員。研究發現，在水蒸氣的作用下，Ba7Nb4MoO20 的效率幾乎翻了一番，這是因為水分子促進了氧離子在材料中的快速移動，特別是在高達 932 華氏度（約 500 攝氏度）的高溫下。
燃料電池的工作原理在於其能夠產生清潔能源，並已在太空任務中應用以提供電力和飲水。有些燃料電池使用電解質，但通常需要在非常高的溫度下運行（可達 1,832 華氏度或 1,000 攝氏度），這使得部件的磨損速度加快。因此，提高燃料電池的效率一直是許多工程師和研究人員的關注重點，尤其是在降低運行溫度的情況下開發高導電性電解質的需求越來越迫切。
關於 Ba7Nb4MoO20，這是一種特殊的晶體，屬於六方鈣鈦礦相關的氧化物。在這種材料中，氧化物離子（O²⁻）可以在其晶體結構的某些間隙中自由移動。這種稱為間隙擴散的運動使得材料在濕潤和乾燥條件下都能有效導電。然而，科學家們對水分（水合）如何影響這些氧化物離子的移動以及材料的導電性尚未完全理解。
為了解決這一問題，研究人員製作了 Ba7Nb4MoO20 顆粒，並在不同溫度下觀察其在乾燥和潮濕條件下的傳輸特性。他們利用氧氣和水蒸氣，通過測量電動勢來評估 O²⁻ 和 H⁺ 對電導率的貢獻。此外，他們還使用示蹤擴散實驗來追踪氧化物離子在材料中的擴散行為。當材料暴露在水蒸氣中時，其導電能力明顯增加，與在乾燥空氣中的表現相比，主要承載電荷的粒子是氧化物離子（O²⁻）。
在 932 華氏度下，材料內部的氧氣移動幾乎增加了一倍，而在潮濕空氣中的總電導率（5.3 × 10⁻⁴ S/cm）是乾燥空氣（2.5 × 10⁻⁴ S/cm）的兩倍多。這一導電性提升的原因是材料吸收了水蒸氣，並在其結構的微小空隙中添加了多餘的氧化物離子。計算機模擬顯示，這些額外的離子在晶體內形成了稱為 (Nb/Mo)₂O₉ 的原子對，隨著這些原子對的斷裂和重組，氧化物離子能夠更容易地移動。這一現象使得材料在導電性方面表現更佳。
研究團隊的領導者 Yashima 教授表示，了解氧化物離子（O²⁻）和質子（H⁺）在陶瓷氧化物中導電的機理對於推動清潔能源的發展至關重要。他強調，這一材料科學的突破預期將大大推進離子導體的發展，這對於燃料電池和蒸汽電解質電池等清潔能源技術至關重要，這些技術是建立可持續的下一代社會及實現聯合國可持續發展目標的關鍵組成部分。這些研究結果已發表在《材料化學A期刊》上。
