Nanotechnology Now - Press Release: Shedding Light On Unique Conduction Mechanisms In A New Type Of Perovskite Oxide

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Die obere Abbildung zeigt die Momentaufnahme der Oxid-Ionen-Wanderung. Die roten und grünen Oxidionen bewegen sich durch Aufbrechen und Neubildung von M2O9-Dimeren, was eine schnelle Oxidionendiffusion ermöglicht, wenn das M-Kation Nb5+ oder Mo6+ ist. Die Längendichteverteilung der Neutronenstreuung aus Neutronenbeugungsdaten bei 800 °C in der Abbildung unten links stimmt mit der zeitlich und räumlich gemittelten Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung von Oxidionen aus Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen in der Abbildung unten rechts überein. Das interstitielle O5-Atom in der Abbildung unten links entspricht dem eckenverknüpften Sauerstoffatom (Osh in der Abbildung unten rechts und Quadrate in der Abbildung oben).

CREDIT
Chemie der Materialien

Abstract:
Die bemerkenswerten Protonen- und Oxidionenleitfähigkeiten (Dualionenleitfähigkeiten) des hexagonalen Perowskit-ähnlichen Oxids Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 sind vielversprechend für elektrochemische Geräte der nächsten Generation, wie Wissenschaftler von Tokyo Tech berichten. Die von ihnen vorgestellten einzigartigen Ionentransportmechanismen werden hoffentlich den Weg für bessere Doppelionenleiter ebnen, die in den sauberen Energietechnologien von morgen eine wesentliche Rolle spielen könnten.

Wir beleuchten einzigartige Leitungsmechanismen in einer neuen Art von Perowskitoxid

Tokio, Japan | Gepostet am 17

Saubere Energietechnologien sind der Eckpfeiler nachhaltiger Gesellschaften, und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) und Protonen-Keramik-Brennstoffzellen (PCFCs) gehören zu den vielversprechendsten Arten elektrochemischer Geräte für die Erzeugung grüner Energie. Diese Geräte stehen jedoch immer noch vor Herausforderungen, die ihre Entwicklung und Einführung behindern.

Idealerweise sollten SOFCs bei niedrigen Temperaturen betrieben werden, um zu verhindern, dass unerwünschte chemische Reaktionen ihre Bestandteile abbauen. Leider weisen die meisten bekannten Oxidionenleiter, eine Schlüsselkomponente von SOFCs, nur bei erhöhten Temperaturen eine angemessene Ionenleitfähigkeit auf. PCFCs sind unter Kohlendioxidatmosphären nicht nur chemisch instabil, sondern erfordern bei der Herstellung auch energieintensive Verarbeitungsschritte bei hohen Temperaturen.

Glücklicherweise gibt es einen Materialtyp, der diese Probleme lösen kann, indem er die Vorteile von SOFCs und PCFCs kombiniert: Dual-Ionenleiter. Durch die Unterstützung der Diffusion sowohl von Protonen als auch von Oxidionen können Doppelionenleiter eine hohe Gesamtleitfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen erreichen und die Leistung elektrochemischer Geräte verbessern. Obwohl über einige Perowskit-verwandte dualionenleitende Materialien wie Ba7Nb4MoO20 berichtet wurde, sind ihre Leitfähigkeiten für praktische Anwendungen nicht hoch genug und ihre zugrunde liegenden Leitungsmechanismen sind nicht gut verstanden.

Vor diesem Hintergrund beschloss ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Masatomo Yashima vom Tokyo Institute of Technology, Japan, die Leitfähigkeit von Materialien zu untersuchen, die 7Nb4MoO20 ähneln, jedoch einen höheren Mo-Anteil aufweisen (d. h. Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Ihre neueste Studie, die in Zusammenarbeit mit der Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) und der Tohoku University durchgeführt wurde, wurde in Chemistry of Materials veröffentlicht.

Nach dem Screening verschiedener Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2-Zusammensetzungen stellte das Team fest, dass Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 bemerkenswerte Protonen- und Oxidionenleitfähigkeiten aufwies. „Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 zeigte eine Massenleitfähigkeit von 11 mS/cm bei 537 °C unter feuchter Luft und 10 mS/cm bei 593 °C unter trockener Luft. Die Gesamtgleichstromleitfähigkeit von Ba400Nb7Mo3.8O1.2 war bei 20.1 °C in feuchter Luft 13-mal höher als die von Ba7Nb4MoO20, und die Gesamtleitfähigkeit in trockener Luft bei 306 °C ist 175-mal höher als die von herkömmlichem Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ)“, betont Prof. Yashima.

Als nächstes versuchten die Forscher, die zugrunde liegenden Mechanismen hinter diesen hohen Leitfähigkeitswerten aufzuklären. Zu diesem Zweck führten sie Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen (AIMD), Neutronenbeugungsexperimente und Neutronenstreulängendichteanalysen durch. Diese Techniken ermöglichten es ihnen, die Struktur von Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 detaillierter zu untersuchen und herauszufinden, was es als Dualionenleiter besonders macht.

Interessanterweise stellte das Team fest, dass die hohe Oxidionenleitfähigkeit von Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 auf ein einzigartiges Phänomen zurückzuführen ist (Abbildung). Es stellt sich heraus, dass benachbarte MO5-Monomere in Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 M2O9-Dimere bilden können, indem sie ein Sauerstoffatom an einer ihrer Ecken teilen (M = Nb- oder Mo-Kation). Das Aufbrechen und Neuformieren dieser Dimere führt zu einer ultraschnellen Bewegung der Oxidionen, vergleichbar mit einer langen Reihe von Menschen, die Eimer mit Wasser (Oxidionen) von einer Person zur nächsten weitergeben. Darüber hinaus zeigten die AIMD-Simulationen, dass die beobachtete hohe Protonenleitung auf eine effiziente Protonenmigration in den hexagonal dicht gepackten BaO3-Schichten im Material zurückzuführen ist.

Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial von Perowskit-basierten Doppelionenleitern und könnten als Leitlinien für das rationale Design dieser Materialien dienen. „Die vorliegenden Erkenntnisse zu hohen Leitfähigkeiten und einzigartigen Ionenmigrationsmechanismen in Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 werden die Entwicklung der Wissenschaft und Technik von Oxidionen-, Protonen- und Dualionenleitern unterstützen“, schließt ein hoffnungsvoller Professor Yashima.

Wir hoffen, dass weitere Forschung uns zu noch besser leitenden Materialien für Energietechnologien der nächsten Generation führt.

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Über das Tokyo Institute of Technology
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für Wissenschaft und Technologie in Japan. Die Forscher von Tokyo Tech zeichnen sich in Bereichen aus, die von reichen
Materialwissenschaften bis hin zu Biologie, Informatik und Physik. Tokyo Tech wurde 1881 gegründet
beherbergt jedes Jahr über 10,000 Bachelor- und Masterstudenten, die sich zu Wissenschaftlern weiterentwickeln
Führungskräfte und einige der gefragtesten Ingenieure der Industrie. Verkörperung der Japaner
Philosophie von „Monotsukuri“, was „technischer Einfallsreichtum und Innovation“ bedeutet, die Tokyo Tech
Die Gemeinschaft ist bestrebt, durch wirkungsvolle Forschung einen Beitrag zur Gesellschaft zu leisten.
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Tokyo Institute of Technology
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