東京科學研究所的研究人員發現，水蒸氣可能是低溫固態氧化物燃料電池的關鍵。這一發現有望在未來為清潔能源應用帶來更高效和耐用的燃料電池。當前，大多數燃料電池將氫和氧轉化為電能，水蒸氣則作為「廢物」產品排出。雖然大部分燃料電池的運行是潔淨且高效的，但固態氧化物燃料電池（SOFC）通常需要在極高的溫度下運行，最高可達 1,832°F（1,000 °C）。這些高溫會導致材料迅速老化，使得系統的成本上升。因此，研究人員正在尋找在較低溫度（約 752°F/400°C 到 1,112°F/600 °C）下有效運作的陶瓷電解質，同時保持良好的離子導電性。
為了解決這一問題，研究團隊專注於一種名為鋇鈮鉬氧化物（Ba₇Nb₄MoO₂₀）的陶瓷材料。這種材料屬於鈣鈦礦相關氧化物，這是一種對離子傳輸非常有利的晶體結構。團隊解釋說，在這種結構中，氧化物離子（O²⁻）可以利用晶格中的空「間隙」位置進行移動，這可以比喻為多出的一些停車位，讓離子能夠在其中跳躍。團隊負責人山下正友教授指出：「一種新的『智能材料』被發現，它能在陶瓷內部增強氧離子的移動性，同時吸收水分。」通常這類材料具有導電性，但水（水合）如何影響這種導電性的機制並不十分明確。研究團隊發現，當這種材料暴露在水蒸氣中時，Ba₇Nb₄MoO₂₀ 對氧化物離子的導電性大幅提高。
在932°F的環境下，他們發現其導電性超過了原本的兩倍（從 2.5 × 10⁻⁴ 提高至 5.3 × 10⁻⁴ S/cm）。他們還確認，主要的電荷載體是氧離子（O²⁻），而非質子（H⁺）。這一發現的運作原理在於水蒸氣被吸收進入晶體結構中，從而增加了結構中的間隙氧離子（O²⁻）。這些氧離子在晶格內部形成和破裂小的「二聚體」單位（Nb/Mo）₂O₉，這促進了其他氧化物離子的運動。最終，這使得離子的移動變得更加迅速和自由。
這項潛在的革命性發現通過幹燥空氣和濕潤空氣的實驗，研究團隊進行了特殊的示蹤擴散研究，以追踪氧原子的運動。他們還利用人工智慧驅動的分子動力學模擬來驗證這一機制。這項研究使得低溫固態氧化物燃料電池的實現更加接近現實。如果燃料電池能夠在約 932°F（500 °C）的溫度下運行，而不是 1,832°F（1,000 °C），那麼由於材料降解減少，它們的壽命可能會更長。這樣也會降低成本，因為不需要使用昂貴的催化劑，從而使其在清潔能源的廣泛應用中更具可行性。這種「水合增強」的導電性解決了在中等溫度下使用陶瓷的主要障礙。山下教授補充道：「理解氧離子（O²⁻）和質子（H⁺）在陶瓷氧化物離子、質子以及雙離子導體中的導電性對於清潔能源至關重要。」這項材料科學的突破預期將大大推進離子導體的發展，而這些導體對於燃料電池和蒸汽電解電池等清潔能源技術是不可或缺的，這些技術是建立可持續的下一代社會和實現聯合國可持續發展目標的關鍵組成部分。該研究已發表於《材料化學 A》期刊上。
