ננוטכנולוגיה עכשיו - הודעה לעיתונות: שופך אור על מנגנוני הולכה ייחודיים בסוג חדש של תחמוצת פרוסקיט

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

עמוד הבית > חדשות ועדכונים > שפיכת אור על מנגנוני הולכה ייחודיים בסוג חדש של תחמוצת פרוסקיט

האיור העליון מציג את תמונת המצב עבור נדידת תחמוצת-יון. יוני התחמוצת האדומים והירוקים נעים על ידי שבירה ורפורמה של דימרים M2O9, המאפשרים דיפוזיה מהירה של יוני תחמוצת כאשר הקטיון M הוא Nb5+ או Mo6+. התפלגות צפיפות אורך פיזור הנייטרונים מנתוני עקיפה של נויטרונים ב-800 ℃ באיור השמאלי התחתונה תואמת את התפלגות צפיפות ההסתברות בממוצע בזמן ובמרחב של יוני תחמוצת מהדמיות דינמיקה מולקולרית אב initio באיור הימני התחתון. אטום O5 הביניים באיור השמאלי התחתונה מתאים לאטום החמצן המשותף בפינה (אוש באיור הימני התחתון וריבועים באיור העליון).

קרדיט
כימיה של חומרים

תקציר:
מוליכות הפרוטון והתחמוצת-יון (כפול-יון) המדהימות של תחמוצת משושה הקשורה לפרובסקיט Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 מבטיחות עבור מכשירים אלקטרוכימיים מהדור הבא, כפי שדווח על ידי מדענים בטוקיו טק. מנגנוני הובלת יונים הייחודיים שהם חשפו יסללו את הדרך למוליכים כפולים יונים טובים יותר, שיכולים למלא תפקיד חיוני בטכנולוגיות האנרגיה הנקייה של מחר.

שופך אור על מנגנוני הולכה ייחודיים בסוג חדש של תחמוצת פרוסקיט

טוקיו, יפן | פורסם ב-17 בנובמבר, 2023

טכנולוגיות אנרגיה נקייה הן אבן היסוד של חברות בת קיימא, ותאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) ותאי דלק קרמיים פרוטון (PCFCs) הם מהסוגים המבטיחים ביותר של מכשירים אלקטרוכימיים לייצור חשמל ירוק. עם זאת, מכשירים אלה עדיין מתמודדים עם אתגרים המעכבים את הפיתוח והאימוץ שלהם.

באופן אידיאלי, SOFCs צריכים להיות מופעלים בטמפרטורות נמוכות כדי למנוע מתגובות כימיות לא רצויות לשבור את החומרים המרכיבים אותם. למרבה הצער, רוב המוליכים הידועים של תחמוצת יוני, מרכיב מפתח ב-SOFCs, מציגים מוליכות יונית נאותה רק בטמפרטורות גבוהות. לגבי PCFCs, לא רק שהם לא יציבים מבחינה כימית באטמוספרות של פחמן דו חמצני, אלא שהם גם דורשים שלבי עיבוד עתירי אנרגיה בטמפרטורה גבוהה במהלך הייצור.

למרבה המזל, יש סוג של חומר שיכול לפתור את הבעיות הללו על ידי שילוב היתרונות של SOFCs ו-PCFCs: מוליכים דו-יונים. על ידי תמיכה בדיפוזיה של שני פרוטונים ויוני תחמוצת, מוליכים דו-יונים יכולים לממש מוליכות כוללת גבוהה בטמפרטורות נמוכות יותר ולשפר את הביצועים של מכשירים אלקטרוכימיים. למרות שדווחו כמה חומרים מוליכים דו-יונים הקשורים לפרובסקיט כגון Ba7Nb4MoO20, המוליכות שלהם אינה גבוהה מספיק עבור יישומים מעשיים, ומנגנוני ההולכה הבסיסיים שלהם אינם מובנים היטב.

על רקע זה, צוות מחקר בראשות פרופסור Masatomo Yashima מהמכון הטכנולוגי של טוקיו, יפן, החליט לחקור את המוליכות של חומרים הדומים ל-7Nb4MoO20 אך עם שבר מו גבוה יותר (כלומר, Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . המחקר האחרון שלהם, שנערך בשיתוף פעולה עם ארגון המדע והטכנולוגיה הגרעיני האוסטרלי (ANSTO), ארגון המחקר למאיץ האנרגיה הגבוהה (KEK) ואוניברסיטת טוהוקו, פורסם ב- Chemistry of Materials.

לאחר בדיקת תרכובות שונות של Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, הצוות מצא כי ל-Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 יש מוליכות פרוטון ותחמוצת-יון יוצאת דופן. "Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 הציג מוליכות בתפזורת של 11 mS/cm ב-537 ℃ באוויר רטוב ו-10 mS/cm ב-593 ℃ באוויר יבש. המוליכות הכוללת של זרם ישר ב-400 ℃ באוויר רטוב של Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 הייתה גבוהה פי 13 מזו של Ba7Nb4MoO20, ומוליכות התפזורת באוויר יבש ב- 306 ℃ גבוהה פי 175 מזו של זירקוניה מיוצב איטריה קונבנציונלי. (YSZ)", מדגיש פרופ' ישימה.

בשלב הבא, החוקרים ביקשו לשפוך אור על המנגנונים הבסיסיים מאחורי ערכי מוליכות גבוהים אלו. לשם כך הם ערכו סימולציות של דינמיקה מולקולרית אב initio (AIMD), ניסויי עקיפה של נויטרונים וניתוחי צפיפות אורך פיזור נויטרונים. טכניקות אלו אפשרו להם ללמוד את המבנה של Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 ביתר פירוט ולקבוע מה מייחד אותו כמוליך כפול יונים.

מעניין לציין שהצוות מצא שהמוליכות הגבוהה של יון תחמוצת של Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 מקורה בתופעה ייחודית (איור). מסתבר שמונומרים MO5 סמוכים ב-Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 יכולים ליצור דימרים M2O9 על ידי שיתוף אטום חמצן באחת מפינותיהם (M = Nb או Mo קטיון). השבירה וההתחדשות של דימרים אלו גורמת לתנועה מהירה במיוחד של תחמוצת-יון באופן מקביל לשורה ארוכה של אנשים המעבירים דליי מים (יוני תחמוצת) מאדם אחד למשנהו. יתר על כן, הדמיות AIMD גילו כי הולכת הפרוטונים הגבוהה שנצפה נבעה מנדידת פרוטונים יעילה בשכבות BaO3 הצמודות המשושה בחומר.

יחד, התוצאות של מחקר זה מדגישות את הפוטנציאל של מוליכים דו-יונים הקשורים לפרובסקיט ויכולות לשמש קווים מנחים לתכנון רציונלי של חומרים אלה. "הממצאים הנוכחיים של מוליכות גבוהה ומנגנוני נדידת יונים ייחודיים ב-Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 יסייעו לפיתוח המדע וההנדסה של מוליכים תחמוצת-יון, פרוטונים ודו-יונים", מסכם פרופ' ישימה מלא תקווה.

אנו מקווים שמחקר נוסף יוביל אותנו לחומרי הולכה טובים עוד יותר עבור טכנולוגיות האנרגיה של הדור הבא.

####

אודות מכון הטכנולוגיה של טוקיו
טוקיו טק עומדת בחזית המחקר וההשכלה הגבוהה כאוניברסיטה המובילה
למדע וטכנולוגיה ביפן. חוקרי טוקיו טק מצטיינים בתחומים הנעים בין
ממדעי החומרים לביולוגיה, מדעי המחשב ופיזיקה. נוסדה בשנת 1881, Tokyo Tech
מארח למעלה מ-10,000 סטודנטים לתואר ראשון ושני בשנה, המתפתחים למדעי
מנהיגים וכמה מהמהנדסים המבוקשים ביותר בתעשייה. מגלם את היפנים
הפילוסופיה של "מונוטסוקורי", כלומר "המצאה טכנית וחדשנות", טוקיו טק
הקהילה שואפת לתרום לחברה באמצעות מחקר בעל השפעה רבה.
https://www.titech.ac.jp/english/

לקבלת מידע נוסף, לחץ על כאן

ליצירת קשר:
אמיקו קוואגוצ'י
במכון הטכנולוגי של טוקיו
משרד: +81-3-5734-2975

זכויות יוצרים © המכון הטכנולוגי של טוקיו

אם יש לך תגובה בבקשה צרו קשר שלנו.

מנפיקי מהדורות חדשות, לא 7th Wave, Inc. או Nanotechnology Now, אחראים בלעדית לדיוק התוכן.

הפוך: