Nanoteknologi Sekarang - Siaran Pers: Menjelaskan Mekanisme Konduksi Unik Dalam Oksida Perovskit Jenis Baru

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Beranda > Tekan > Menjelaskan mekanisme konduksi unik pada oksida perovskit jenis baru

Gambar di atas menunjukkan gambaran migrasi ion oksida. Ion oksida merah dan hijau bergerak dengan memecah dan membentuk kembali dimer M2O9, yang memungkinkan difusi ion oksida dengan cepat dimana kation M adalah Nb5+ atau Mo6+. Distribusi kerapatan panjang hamburan neutron dari data difraksi neutron pada 800 ℃ pada gambar kiri bawah sesuai dengan distribusi kerapatan probabilitas rata-rata waktu dan ruang ion oksida dari simulasi dinamika molekul ab initio pada gambar kanan bawah. Atom O5 interstisial pada gambar kiri bawah berhubungan dengan atom oksigen yang berbagi sudut (Osh pada gambar kanan bawah dan kotak pada gambar atas).

KREDIT
Kimia Bahan

Abstrak:
Konduktivitas proton dan ion oksida (ion ganda) yang luar biasa dari oksida Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 terkait perovskit heksagonal menjanjikan untuk perangkat elektrokimia generasi berikutnya, seperti yang dilaporkan oleh para ilmuwan di Tokyo Tech. Mekanisme transpor ion unik yang mereka ungkapkan diharapkan akan membuka jalan bagi konduktor dual-ion yang lebih baik, yang dapat memainkan peran penting dalam teknologi energi ramah lingkungan di masa depan.

Menjelaskan mekanisme konduksi unik dalam oksida perovskit jenis baru

Tokyo, Jepang | Diposting pada 17 November 2023

Teknologi energi bersih adalah landasan masyarakat berkelanjutan, dan sel bahan bakar oksida padat (SOFC) dan sel bahan bakar keramik proton (PCFC) adalah beberapa jenis perangkat elektrokimia yang paling menjanjikan untuk pembangkit listrik ramah lingkungan. Namun perangkat ini masih menghadapi tantangan yang menghambat pengembangan dan penerapannya.

Idealnya, SOFC harus dioperasikan pada suhu rendah untuk mencegah reaksi kimia yang tidak diinginkan yang merusak bahan penyusunnya. Sayangnya, sebagian besar konduktor oksida-ion yang dikenal, yang merupakan komponen kunci SOFC, hanya menunjukkan konduktivitas ionik yang baik pada suhu tinggi. Sedangkan untuk PCFC, tidak hanya tidak stabil secara kimiawi di bawah atmosfer karbon dioksida, namun juga memerlukan tahap pemrosesan yang intensif energi dan bersuhu tinggi selama pembuatannya.

Untungnya, ada jenis bahan yang dapat mengatasi masalah ini dengan menggabungkan keunggulan SOFC dan PCFC: konduktor dual-ion. Dengan mendukung difusi proton dan ion oksida, konduktor ion ganda dapat mewujudkan konduktivitas total yang tinggi pada suhu yang lebih rendah dan meningkatkan kinerja perangkat elektrokimia. Meskipun beberapa bahan penghantar ion ganda terkait perovskit seperti Ba7Nb4MoO20 telah dilaporkan, namun konduktivitasnya tidak cukup tinggi untuk aplikasi praktis, dan mekanisme penghantar yang mendasarinya tidak dipahami dengan baik.

Dengan latar belakang ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Masatomo Yashima dari Institut Teknologi Tokyo, Jepang, memutuskan untuk menyelidiki konduktivitas bahan yang mirip dengan 7Nb4MoO20 tetapi dengan fraksi Mo yang lebih tinggi (yaitu, Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Studi terbaru mereka, yang dilakukan bekerja sama dengan Organisasi Sains dan Teknologi Nuklir Australia (ANSTO), Organisasi Penelitian Akselerator Energi Tinggi (KEK), dan Universitas Tohoku, diterbitkan di Chemistry of Materials.

Setelah menyaring berbagai komposisi Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, tim menemukan bahwa Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 memiliki konduktivitas proton dan ion oksida yang luar biasa. “Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 menunjukkan konduktivitas massal 11 mS/cm pada 537 ℃ di bawah udara basah dan 10 mS/cm pada 593 ℃ di bawah udara kering. Total konduktivitas arus searah pada 400 ℃ di udara basah Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 adalah 13 kali lebih tinggi dibandingkan Ba7Nb4MoO20, dan konduktivitas massal di udara kering pada 306 ℃ adalah 175 kali lebih tinggi dibandingkan dengan zirkonia konvensional yang distabilkan yttria (YSZ),” tegas Prof Yashima.

Selanjutnya, para peneliti berusaha menjelaskan mekanisme yang mendasari di balik nilai konduktivitas tinggi ini. Untuk mencapai tujuan ini, mereka melakukan simulasi dinamika molekul ab initio (AIMD), eksperimen difraksi neutron, dan analisis kepadatan panjang hamburan neutron. Teknik ini memungkinkan mereka mempelajari struktur Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 secara lebih rinci dan menentukan apa yang membuatnya istimewa sebagai konduktor dual-ion.

Menariknya, tim menemukan bahwa konduktivitas ion oksida yang tinggi pada Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 berasal dari fenomena unik (Gambar). Ternyata monomer MO5 yang berdekatan pada Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 dapat membentuk dimer M2O9 dengan berbagi atom oksigen pada salah satu sudutnya (M = Nb atau kation Mo). Penghancuran dan pembentukan kembali dimer-dimer ini menimbulkan pergerakan ion oksida yang sangat cepat dengan cara yang serupa dengan antrean panjang orang yang memindahkan ember berisi air (ion oksida) dari satu orang ke orang berikutnya. Lebih jauh lagi, simulasi AIMD mengungkapkan bahwa konduksi proton yang tinggi disebabkan oleh migrasi proton yang efisien pada lapisan BaO3 yang padat heksagonal dalam material.

Secara keseluruhan, hasil penelitian ini menyoroti potensi konduktor dual-ion terkait perovskit dan dapat berfungsi sebagai pedoman untuk desain rasional bahan-bahan ini. “Temuan terkini tentang konduktivitas tinggi dan mekanisme migrasi ion unik di Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 akan membantu pengembangan ilmu pengetahuan dan teknik konduktor ion oksida, proton, dan ion ganda,” Prof. Yashima menyimpulkan.

Kami berharap penelitian lebih lanjut dapat membawa kita pada bahan penghantar yang lebih baik untuk teknologi energi generasi mendatang.

####

Tentang Institut Teknologi Tokyo
Tokyo Tech berdiri di garis depan penelitian dan pendidikan tinggi sebagai universitas terkemuka
untuk ilmu pengetahuan dan teknologi di Jepang. Peneliti Tokyo Tech unggul di berbagai bidang mulai dari
ilmu material hingga biologi, ilmu komputer, dan fisika. Didirikan pada tahun 1881, Tokyo Tech
menampung lebih dari 10,000 mahasiswa sarjana dan pascasarjana per tahun, yang berkembang menjadi mahasiswa ilmiah
pemimpin dan beberapa insinyur yang paling dicari di industri. Mewujudkan orang Jepang
filosofi “monotsukuri,” yang berarti “kecerdasan dan inovasi teknis,” Tokyo Tech
komunitas berusaha untuk berkontribusi kepada masyarakat melalui penelitian berdampak tinggi.
https://www.titech.ac.jp/english/

Untuk informasi lebih lanjut, silakan klik di sini

Kontak:
Emiko Kawaguchi
Tokyo Institute of Technology
Kantor: + 81-3-5734-2975

Hak Cipta © Institut Teknologi Tokyo

Jika Anda punya komentar, silakan Kontak kita.

Penerbit rilis berita, bukan 7th Wave, Inc. atau Nanotechnology Now, semata-mata bertanggung jawab atas keakuratan konten.

Bookmark: