Nanotechnology Now - Δελτίο Τύπου: Ρίχνοντας φως σε μοναδικούς μηχανισμούς αγωγιμότητας σε έναν νέο τύπο οξειδίου περοβσκίτη

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Ρίχνοντας φως σε μοναδικούς μηχανισμούς αγωγιμότητας σε έναν νέο τύπο οξειδίου περοβσκίτη

Το επάνω σχήμα δείχνει το στιγμιότυπο για τη μετανάστευση ιόντων οξειδίου. Τα ερυθρά και πράσινα ιόντα οξειδίων κινούνται με διάσπαση και αναμόρφωση των διμερών M2O9, γεγονός που επιτρέπει τη γρήγορη διάχυση ιόντων οξειδίου όπου το κατιόν Μ είναι Nb5+ ή Mo6+. Η κατανομή πυκνότητας μήκους σκέδασης νετρονίων από δεδομένα περίθλασης νετρονίων στους 800 ℃ στο κάτω αριστερό σχήμα συμφωνεί με την κατανομή πυκνότητας πιθανότητας κατά μέσο όρο σε χρόνο και χώρο των ιόντων οξειδίου από εξαρχής προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής στο κάτω δεξιά σχήμα. Το διάμεσο άτομο O5 στο κάτω αριστερό σχήμα αντιστοιχεί στο άτομο οξυγόνου που μοιράζεται τη γωνία (Osh στην κάτω δεξιά εικόνα και τετράγωνα στο επάνω σχήμα).

ΠΙΣΤΩΣΗ
Χημεία Υλικών

Περίληψη:
Οι αξιοσημείωτες αγωγιμότητες πρωτονίων και ιόντων οξειδίου (διπλού ιόντος) του εξαγωνικού οξειδίου Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 που σχετίζεται με τον περοβσκίτη είναι πολλά υποσχόμενες για ηλεκτροχημικές συσκευές επόμενης γενιάς, όπως αναφέρουν επιστήμονες στο Tokyo Tech. Οι μοναδικοί μηχανισμοί μεταφοράς ιόντων που αποκάλυψαν ελπίζουμε ότι θα ανοίξουν το δρόμο για καλύτερους αγωγούς διπλού ιόντος, οι οποίοι θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ουσιαστικό ρόλο στις τεχνολογίες καθαρής ενέργειας του αύριο.

Ρίχνει φως σε μοναδικούς μηχανισμούς αγωγιμότητας σε έναν νέο τύπο οξειδίου περοβσκίτη

Τόκιο, Ιαπωνία | Δημοσιεύτηκε στις 17 Νοεμβρίου 2023

Οι τεχνολογίες καθαρής ενέργειας αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των βιώσιμων κοινωνιών και οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) και οι κεραμικές κυψέλες καυσίμου πρωτονίων (PCFC) είναι από τους πιο υποσχόμενους τύπους ηλεκτροχημικών συσκευών για πράσινη παραγωγή ενέργειας. Αυτές οι συσκευές, ωστόσο, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προκλήσεις που εμποδίζουν την ανάπτυξη και την υιοθέτησή τους.

Ιδανικά, τα SOFC θα πρέπει να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες για να αποτρέψουν ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις από την αποικοδόμηση των συστατικών τους υλικών. Δυστυχώς, οι περισσότεροι γνωστοί αγωγοί ιόντων οξειδίου, βασικό συστατικό των SOFC, παρουσιάζουν αξιοπρεπή ιοντική αγωγιμότητα μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Όσον αφορά τους PCFC, όχι μόνο είναι χημικά ασταθείς σε ατμόσφαιρες διοξειδίου του άνθρακα, αλλά απαιτούν επίσης ενεργοβόρα στάδια επεξεργασίας υψηλής θερμοκρασίας κατά την κατασκευή.

Ευτυχώς, υπάρχει ένας τύπος υλικού που μπορεί να λύσει αυτά τα προβλήματα συνδυάζοντας τα οφέλη τόσο των SOFC όσο και των PCFC: αγωγοί διπλού ιόντος. Υποστηρίζοντας τη διάχυση τόσο των πρωτονίων όσο και των ιόντων οξειδίων, οι αγωγοί διπλού ιόντος μπορούν να επιτύχουν υψηλή συνολική αγωγιμότητα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και να βελτιώσουν την απόδοση των ηλεκτροχημικών συσκευών. Αν και ορισμένα αγώγιμα υλικά διπλού ιόντος που σχετίζονται με περοβσκίτη, όπως το Ba7Nb4MoO20, έχουν αναφερθεί, η αγωγιμότητά τους δεν είναι αρκετά υψηλή για πρακτικές εφαρμογές και οι υποκείμενοι αγώγιμοι μηχανισμοί τους δεν είναι καλά κατανοητοί.

Σε αυτό το πλαίσιο, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Masatomo Yashima από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο, Ιαπωνία, αποφάσισε να διερευνήσει την αγωγιμότητα υλικών παρόμοια με το 7Nb4MoO20 αλλά με υψηλότερο κλάσμα Mo (δηλαδή Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Η τελευταία τους μελέτη, η οποία διεξήχθη σε συνεργασία με τον Αυστραλιανό Οργανισμό Πυρηνικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (ANSTO), τον Οργανισμό Έρευνας για Επιταχυντές Υψηλής Ενέργειας (KEK) και το Πανεπιστήμιο Τοχόκου, δημοσιεύτηκε στο Chemistry of Materials.

Μετά από εξέταση διαφόρων συνθέσεων Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, η ομάδα διαπίστωσε ότι το Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 είχε αξιοσημείωτη αγωγιμότητα πρωτονίων και οξειδίων-ιόντων. «Το Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 εμφάνισε αγωγιμότητα 11 mS/cm σε 537 ℃ υπό υγρό αέρα και 10 mS/cm σε 593 ℃ σε ξηρό αέρα. Η συνολική αγωγιμότητα συνεχούς ρεύματος στους 400 ℃ στον υγρό αέρα του Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 ήταν 13 φορές υψηλότερη από εκείνη του Ba7Nb4MoO20 και η αγωγιμότητα χύδην σε ξηρό αέρα στους 306 ℃ είναι 175 φορές υψηλότερη από αυτή του συμβατικού σταθεροποιημένου με ύττρια κονία (YSZ),» υπογραμμίζει ο καθηγητής Yashima.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές προσπάθησαν να ρίξουν φως στους υποκείμενους μηχανισμούς πίσω από αυτές τις υψηλές τιμές αγωγιμότητας. Για το σκοπό αυτό, διεξήγαγαν εξαρχής προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (AIMD), πειράματα περίθλασης νετρονίων και αναλύσεις πυκνότητας μήκους σκέδασης νετρονίων. Αυτές οι τεχνικές τους επέτρεψαν να μελετήσουν τη δομή του Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 με περισσότερες λεπτομέρειες και να προσδιορίσουν τι το κάνει ξεχωριστό ως αγωγός διπλού ιόντος.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ομάδα διαπίστωσε ότι η υψηλή αγωγιμότητα ιόντων οξειδίου του Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 προέρχεται από ένα μοναδικό φαινόμενο (Εικόνα). Αποδεικνύεται ότι τα γειτονικά μονομερή MO5 στο Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 μπορούν να σχηματίσουν διμερή M2O9 μοιράζοντας ένα άτομο οξυγόνου σε μία από τις γωνίες τους (M = Nb ή Mo κατιόν). Το σπάσιμο και η αναμόρφωση αυτών των διμερών οδηγεί σε εξαιρετικά γρήγορη κίνηση ιόντων οξειδίου με τρόπο ανάλογο με μια μεγάλη ουρά ανθρώπων που μεταφέρουν κουβάδες νερού (ιόντα οξειδίου) από το ένα άτομο στο άλλο. Επιπλέον, οι προσομοιώσεις AIMD αποκάλυψαν ότι η παρατηρούμενη υψηλή αγωγιμότητα πρωτονίων οφειλόταν στην αποτελεσματική μετανάστευση πρωτονίων στα εξαγωνικά στενά γεμάτα στρώματα BaO3 στο υλικό.

Συνολικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης υπογραμμίζουν τις δυνατότητες των αγωγών διπλού ιόντος που σχετίζονται με τον περοβσκίτη και θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως κατευθυντήριες γραμμές για τον ορθολογικό σχεδιασμό αυτών των υλικών. «Τα σημερινά ευρήματα υψηλής αγωγιμότητας και μοναδικών μηχανισμών μετανάστευσης ιόντων στο Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη της επιστήμης και της μηχανικής των αγωγών ιόντων οξειδίου, πρωτονίων και διπλών ιόντων», καταλήγει ο αισιόδοξος καθηγητής Yashima.

Ελπίζουμε η περαιτέρω έρευνα να μας οδηγήσει σε ακόμα καλύτερα υλικά αγωγιμότητας για ενεργειακές τεχνολογίες επόμενης γενιάς.

####

Σχετικά με το Τεχνολογικό Ινστιτούτο του Τόκιο
Το Tokyo Tech βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της έρευνας και της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης ως το κορυφαίο πανεπιστήμιο
για την επιστήμη και την τεχνολογία στην Ιαπωνία. Οι ερευνητές της Tokyo Tech διαπρέπουν σε τομείς που κυμαίνονται από
την επιστήμη των υλικών στη βιολογία, την επιστήμη των υπολογιστών και τη φυσική. Ιδρύθηκε το 1881, το Tokyo Tech
φιλοξενεί πάνω από 10,000 προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές ετησίως, οι οποίοι εξελίσσονται σε επιστημονικούς
ηγέτες και μερικούς από τους πιο περιζήτητους μηχανικούς στη βιομηχανία. Ενσαρκώνοντας τους Ιάπωνες
φιλοσοφία του "monotsukuri", που σημαίνει "τεχνική εφευρετικότητα και καινοτομία", το Tokyo Tech
Η κοινότητα προσπαθεί να συνεισφέρει στην κοινωνία μέσω έρευνας υψηλού αντίκτυπου.
https://www.titech.ac.jp/english/

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Emiko Kawaguchi
Τόκιο Ινστιτούτο Τεχνολογίας
Γραφείο: +81-3-5734-2975

Πνευματικά δικαιώματα © Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: