Nanoteknologi nå - Pressemelding: kaster lys over unike ledningsmekanismer i en ny type perovskittoksid

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Belyse unike ledningsmekanismer i en ny type perovskittoksid

Den øverste figuren viser øyeblikksbildet for oksid-ion-migrasjonen. De røde og grønne oksidionene beveger seg ved å bryte og reformere M2O9-dimerer, noe som muliggjør rask oksidiondiffusjon der M-kationen er Nb5+ eller Mo6+. Nøytronspredningslengdetetthetsfordelingen fra nøytrondiffraksjonsdata ved 800 ℃ i figuren nederst til venstre stemmer overens med tids- og romgjennomsnittet sannsynlighetstetthetsfordeling av oksidioner fra ab initio molekylær dynamikksimuleringer i figuren nederst til høyre. Det interstitielle O5-atomet i figuren nederst til venstre tilsvarer det hjørnedelte oksygenatomet (Osh i figuren nederst til høyre og firkantene i den øverste figuren).

KREDITT
Materialkjemi

Abstrakt:
De bemerkelsesverdige proton- og oksid-ion (dobbel-ion) ledningsevnene til sekskantet perovskitt-relatert oksid Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 er lovende for neste generasjons elektrokjemiske enheter, som rapportert av forskere ved Tokyo Tech. De unike ionetransportmekanismene de avduket vil forhåpentligvis bane vei for bedre dual-ion-ledere, som kan spille en viktig rolle i morgendagens rene energiteknologier.

Belyser unike ledningsmekanismer i en ny type perovskittoksid

Tokyo, Japan | Lagt ut 17. november 2023

Ren energiteknologi er hjørnesteinen i bærekraftige samfunn, og fastoksidbrenselceller (SOFC) og protonkeramiske brenselceller (PCFC) er blant de mest lovende typene elektrokjemiske enheter for grønn kraftproduksjon. Disse enhetene står imidlertid fortsatt overfor utfordringer som hindrer utvikling og bruk.

Ideelt sett bør SOFC-er brukes ved lave temperaturer for å forhindre at uønskede kjemiske reaksjoner bryter ned materialet. Dessverre viser de fleste kjente oksid-ion-ledere, en nøkkelkomponent i SOFC-er, bare anstendig ionisk ledningsevne ved høye temperaturer. Når det gjelder PCFC-er, er de ikke bare kjemisk ustabile under karbondioksidatmosfære, men de krever også energikrevende prosesseringstrinn ved høy temperatur under produksjonen.

Heldigvis finnes det en type materiale som kan løse disse problemene ved å kombinere fordelene med både SOFC-er og PCFC-er: dual-ion-ledere. Ved å støtte diffusjonen av både protoner og oksidioner, kan dual-ion ledere realisere høy total ledningsevne ved lavere temperaturer og forbedre ytelsen til elektrokjemiske enheter. Selv om noen perovskitt-relaterte dual-ion ledende materialer som Ba7Nb4MoO20 er rapportert, er deres ledningsevne ikke høy nok for praktiske anvendelser, og deres underliggende ledende mekanismer er ikke godt forstått.

På dette bakteppet bestemte et forskerteam ledet av professor Masatomo Yashima fra Tokyo Institute of Technology, Japan, seg for å undersøke ledningsevnen til materialer som ligner på 7Nb4MoO20, men med en høyere Mo-fraksjon (det vil si Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Deres siste studie, som ble utført i samarbeid med Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), High Energy Accelerator Research Organization (KEK) og Tohoku University, ble publisert i Chemistry of Materials.

Etter å ha screenet forskjellige Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2-sammensetninger, fant teamet at Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 hadde bemerkelsesverdige proton- og oksidion-ledningsevner. "Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 viste bulkledningsevner på 11 mS/cm ved 537 ℃ under våt luft og 10 mS/cm ved 593 ℃ under tørr luft. Total likestrømsledningsevne ved 400 ℃ i våt luft av Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 var 13 ganger høyere enn for Ba7Nb4MoO20, og bulkledningsevnen i tørr luft ved 306 ℃ er 175 ganger høyere enn for konvensjonell yttria-stabilisert zirkoniumoksid. (YSZ),» fremhever Prof. Yashima.

Deretter forsøkte forskerne å belyse de underliggende mekanismene bak disse høye konduktivitetsverdiene. For dette formål gjennomførte de ab initio molecular dynamics (AIMD) simuleringer, nøytrondiffraksjonseksperimenter og nøytronspredningslengdetetthetsanalyser. Disse teknikkene gjorde dem i stand til å studere strukturen til Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 mer detaljert og finne ut hva som gjør den spesiell som en dual-ion-leder.

Interessant nok fant teamet at den høye oksidion-konduktiviteten til Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 stammer fra et unikt fenomen (figur). Det viser seg at tilstøtende MO5-monomerer i Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 kan danne M2O9-dimerer ved å dele et oksygenatom på et av hjørnene deres (M = Nb eller Mo-kation). Brudd og reformering av disse dimerene gir opphav til ultrarask oksidionbevegelse på en måte som er analog med en lang rekke mennesker som overfører bøtter med vann (oksidioner) fra en person til den neste. Videre avslørte AIMD-simuleringene at den observerte høye protonledningen skyldtes effektiv protonmigrering i de sekskantede tettpakkede BaO3-lagene i materialet.

Samlet sett fremhever resultatene av denne studien potensialet til perovskitt-relaterte dual-ion-ledere og kan tjene som retningslinjer for rasjonell utforming av disse materialene. "De nåværende funnene av høy ledningsevne og unike ionemigrasjonsmekanismer i Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 vil hjelpe utviklingen av vitenskap og konstruksjon av oksid-ion-, proton- og dual-ion-ledere," konkluderer en håpefull prof. Yashima.

Vi håper videre forskning fører oss til enda bedre ledende materialer for neste generasjons energiteknologier.

####

Om Tokyo Institute of Technology
Tokyo Tech står i forkant av forskning og høyere utdanning som det ledende universitetet
for vitenskap og teknologi i Japan. Tokyo Tech-forskere utmerker seg på felt som spenner fra
materialvitenskap til biologi, informatikk og fysikk. Grunnlagt i 1881, Tokyo Tech
er vert for over 10,000 XNUMX studenter og hovedfagsstudenter per år, som utvikler seg til vitenskapelige
ledere og noen av de mest ettertraktede ingeniørene i industrien. Legemliggjør japanerne
filosofien til "monotsukuri", som betyr "teknisk oppfinnsomhet og innovasjon," Tokyo Tech
samfunnet streber etter å bidra til samfunnet gjennom forskning med høy effekt.
https://www.titech.ac.jp/english/

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Emiko Kawaguchi
Tokyo Institute of Technology
Kontor: + 81-3-5734-2975

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: