Nanoteknologia nyt - Lehdistötiedote: Valaiseminen ainutlaatuisiin johtamismekanismeihin uudentyyppisessä perovskiittioksidissa

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Valoa ainutlaatuisia johtamismekanismeja uudentyyppisessä perovskiittioksidissa

Yläkuvassa on tilannekuva oksidi-ionien siirtymisestä. Punaiset ja vihreät oksidi-ionit liikkuvat rikkomalla ja reformoimalla M2O9-dimeerejä, mikä mahdollistaa nopean oksidi-ionien diffuusion, kun M-kationi on Nb5+ tai Mo6+. Neutronien sirontapituustiheysjakauma neutronidiffraktiotiedoista 800 ℃:ssa alhaalla vasemmassa kuvassa on yhtäpitävä oksidi-ionien aika- ja avaruuskeskiarvoisen todennäköisyystiheysjakauman kanssa ab initio molekyylidynamiikan simulaatioista oikeassa alakulmassa. Vasemmassa alakulmassa oleva interstitiaalinen O5-atomi vastaa kulman jakavaa happiatomia (Osh oikeassa alakulmassa ja neliöt ylemmässä kuvassa).

LUOTTO
Materiaalien kemia

Tiivistelmä:
Tokyo Techin tutkijoiden mukaan kuusikulmaisen perovskiittiin liittyvän oksidin Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 merkittävät protoni- ja oksidi-ionijohtavuudet ovat lupaavia seuraavan sukupolven sähkökemiallisille laitteille. Heidän paljastamansa ainutlaatuiset ioninsiirtomekanismit tasoittavat toivottavasti tietä paremmille kaksois-ionijohtimille, joilla voi olla olennainen rooli huomisen puhtaan energian teknologiassa.

Valaisemalla ainutlaatuisia johtamismekanismeja uudentyyppisessä perovskiittioksidissa

Tokio, Japani | Julkaistu 17

Puhtaat energiateknologiat ovat kestävien yhteiskuntien kulmakivi, ja kiinteäoksidipolttokennot (SOFC) ja protonikeraamiset polttokennot (PCFC) ovat lupaavimpia sähkökemiallisia laitteita vihreään sähköntuotantoon. Näillä laitteilla on kuitenkin edelleen haasteita, jotka haittaavat niiden kehittämistä ja käyttöönottoa.

Ihannetapauksessa SOFC-yhdisteitä tulisi käyttää matalissa lämpötiloissa, jotta ei-toivotut kemialliset reaktiot eivät hajottaisi niiden aineosia. Valitettavasti useimmilla tunnetuilla oksidi-ionijohtimilla, jotka ovat SOFC-yhdisteiden avainkomponentti, on kunnollinen ionijohtavuus vain korkeissa lämpötiloissa. Mitä tulee PCFC-yhdisteisiin, ne eivät vain ole kemiallisesti epästabiileja hiilidioksidiatmosfäärissä, vaan ne vaativat myös energiaintensiivisiä, korkean lämpötilan prosessointivaiheita valmistuksen aikana.

Onneksi on olemassa materiaali, joka voi ratkaista nämä ongelmat yhdistämällä sekä SOFC:n että PCFC:n edut: kaksoisionijohtimet. Tukemalla sekä protonien että oksidi-ionien diffuusiota, kaksoisionijohtimet voivat saavuttaa korkean kokonaisjohtavuuden alhaisemmissa lämpötiloissa ja parantaa sähkökemiallisten laitteiden suorituskykyä. Vaikka joistakin perovskiitteihin liittyvistä kaksoisionijohtavista materiaaleista, kuten Ba7Nb4MoO20, on raportoitu, niiden johtavuudet eivät ole tarpeeksi korkeat käytännön sovelluksiin, ja niiden taustalla olevia johtamismekanismeja ei tunneta hyvin.

Tätä taustaa vasten Japanin Tokion teknillisen korkeakoulun professori Masatomo Yashiman johtama tutkimusryhmä päätti tutkia materiaalien johtavuutta, jotka ovat samankaltaisia kuin 7Nb4MoO20, mutta joiden Mo-fraktio on korkeampi (eli Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Heidän viimeisin tutkimuksensa, joka tehtiin yhteistyössä Australian Nuclear Science and Technology Organisaation (ANSTO), High Energy Accelerator Research Organizationin (KEK) ja Tohokun yliopiston kanssa, julkaistiin Chemistry of Materials -lehdessä.

Erilaisten Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2-koostumusten seulonnan jälkeen ryhmä havaitsi, että Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:llä oli huomattava protoni- ja oksidi-ionijohtavuus. "Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:n bulkkijohtavuus oli 11 mS/cm lämpötilassa 537 ℃ märässä ilmassa ja 10 mS/cm lämpötilassa 593 ℃ kuivassa ilmassa. Tasavirran kokonaisjohtavuus 400 ℃:ssa Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:n märässä ilmassa oli 13 kertaa suurempi kuin Ba7Nb4MoO20:n ja massajohtavuus kuivassa ilmassa lämpötilassa 306 ℃ on 175 kertaa suurempi kuin perinteisellä yttriumoksidilla stabiloidulla zirkonialla. (YSZ),” korostaa prof. Yashima.

Seuraavaksi tutkijat pyrkivät valaisemaan näiden korkeiden johtavuusarvojen taustalla olevia mekanismeja. Tätä varten he suorittivat ab initio -molekyylidynamiikan (AIMD) -simulaatioita, neutronidiffraktiokokeita ja neutronien sirontapituustiheysanalyysejä. Näiden tekniikoiden avulla he pystyivät tutkimaan Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:n rakennetta yksityiskohtaisemmin ja määrittämään, mikä tekee siitä erityisen kaksoisionijohtimena.

Mielenkiintoista on, että ryhmä havaitsi, että Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:n korkea oksidi-ionijohtavuus johtuu ainutlaatuisesta ilmiöstä (kuva). Osoittautuu, että Ba5Nb7Mo3.8O1.2:n viereiset MO20.1-monomeerit voivat muodostaa M2O9-dimeerejä jakamalla happiatomin yhdessä kulmistaan (M = Nb tai Mo kationi). Näiden dimeerien rikkoutuminen ja uudistaminen saa aikaan erittäin nopean oksidi-ioniliikkeen, joka on analoginen pitkälle ihmisjonolle, joka välittää vesiämpäriä (oksidi-ioneja) ihmiseltä toiselle. Lisäksi AIMD-simulaatiot paljastivat, että havaittu korkea protonijohtuvuus johtui tehokkaasta protonien migraatiosta materiaalin kuusikulmaisissa tiiviisti pakattuissa BaO3-kerroksissa.

Kaiken kaikkiaan tämän tutkimuksen tulokset korostavat perovskiitteihin liittyvien kaksoisionijohtimien potentiaalia ja voivat toimia ohjeina näiden materiaalien järkevälle suunnittelulle. "Nykyiset havainnot Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1:n korkeasta johtavuudesta ja ainutlaatuisista ionien kulkeutumismekanismeista auttavat oksidi-ioni-, protoni- ja kaksoisionijohtimien tieteen ja suunnittelun kehittämistä", toiveikas professori Yashima päättää.

Toivomme, että lisätutkimukset johtavat meidät entistä paremmin johtavaan materiaaliin seuraavan sukupolven energiateknologioihin.

####

Tietoja Tokion teknillisestä instituutista
Tokyo Tech on tutkimuksen ja korkeakoulutuksen eturintamassa johtava yliopisto
tiedettä ja teknologiaa varten Japanissa. Tokyo Techin tutkijat ovat erinomaisia eri aloilla
materiaalitieteestä biologiaan, tietojenkäsittelytieteeseen ja fysiikkaan. Vuonna 1881 perustettu Tokyo Tech
isännöi yli 10,000 XNUMX perustutkinto- ja jatko-opiskelijaa vuodessa, jotka kehittyvät tieteellisiksi
johtajia ja eräitä teollisuuden halutuimmista insinööreistä. Japanilaisten ilmentymä
"monotsukurin" filosofia, joka tarkoittaa "teknistä kekseliäisyyttä ja innovaatiota", Tokyo Tech
yhteisö pyrkii vaikuttamaan yhteiskuntaan vaikuttavan tutkimuksen avulla.
https://www.titech.ac.jp/english/

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Emiko Kawaguchi
Tokion teknologiainstituutti
Toimisto: +81-3-5734-2975

Tekijänoikeudet © Tokyo Institute of Technology

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: