Nanotechnology Now - Press Release: Shedding Light On Unique Conduction Mechanisms In A New Type Of Perovskite Oxide

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Rzucanie światła na unikalne mechanizmy przewodzenia w nowym typie tlenku perowskitu

Górny rysunek przedstawia migawkę migracji jonów tlenkowych. Czerwone i zielone jony tlenkowe poruszają się poprzez rozbicie i ponowne utworzenie dimerów M2O9, co umożliwia szybką dyfuzję jonów tlenkowych, gdy kation M to Nb5+ lub Mo6+. Rozkład gęstości długości rozpraszania neutronów na podstawie danych dyfrakcji neutronów przy 800 ℃ na lewym dolnym rysunku zgadza się z uśrednionym w czasie i przestrzeni rozkładem gęstości prawdopodobieństwa jonów tlenkowych z symulacji dynamiki molekularnej ab initio na prawym dolnym rysunku. Śródmiąższowy atom O5 na lewym dolnym rysunku odpowiada atomowi tlenu dzielącemu narożniki (Osh na prawym dolnym rysunku i kwadraty na górnym rysunku).

KREDYT
Chemia materiałów

Abstrakcyjny:
Jak podają naukowcy z Tokyo Tech, niezwykłe przewodnictwo protonowe i jonów tlenkowych (dwujonowych) sześciokątnego tlenku pokrewnego perowskitu Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 jest obiecujące dla urządzeń elektrochemicznych nowej generacji. Mamy nadzieję, że odkryte unikalne mechanizmy transportu jonów utorują drogę dla lepszych przewodników dwujonowych, które mogą odegrać zasadniczą rolę w przyszłych technologiach czystej energii.

Rzucanie światła na unikalne mechanizmy przewodzenia w nowym typie tlenku perowskitu

Tokio, Japonia | Opublikowano 17 listopada 2023

Technologie czystej energii są podstawą zrównoważonych społeczeństw, a ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) i ceramiczne ogniwa paliwowe protonowe (PCFC) należą do najbardziej obiecujących typów urządzeń elektrochemicznych do wytwarzania zielonej energii. Urządzenia te nadal jednak stoją przed wyzwaniami, które utrudniają ich rozwój i przyjęcie.

W idealnym przypadku SOFC powinny pracować w niskich temperaturach, aby zapobiec degradacji materiałów składowych przez niepożądane reakcje chemiczne. Niestety, większość znanych przewodników tlenkowo-jonowych, kluczowych składników SOFC, wykazuje przyzwoitą przewodność jonową jedynie w podwyższonych temperaturach. Jeśli chodzi o PCFC, są one nie tylko niestabilne chemicznie w atmosferze dwutlenku węgla, ale także wymagają energochłonnych etapów przetwarzania w wysokiej temperaturze podczas produkcji.

Na szczęście istnieje rodzaj materiału, który może rozwiązać te problemy, łącząc zalety SOFC i PCFC: przewodniki dwujonowe. Wspierając dyfuzję zarówno protonów, jak i jonów tlenkowych, przewodniki dwujonowe mogą zapewnić wysoką całkowitą przewodność w niższych temperaturach i poprawić wydajność urządzeń elektrochemicznych. Chociaż donoszono o niektórych materiałach przewodzących dwujonowo powiązanych z perowskitem, takich jak Ba7Nb4MoO20, ich przewodność nie jest wystarczająco wysoka, aby można ją było zastosować w praktyce, a leżące u ich podstaw mechanizmy przewodzące nie są dobrze poznane.

W tym kontekście zespół badawczy kierowany przez profesora Masatomo Yashimę z Tokijskiego Instytutu Technologii w Japonii postanowił zbadać przewodnictwo materiałów podobnych do 7Nb4MoO20, ale z wyższą frakcją Mo (tj. Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Ich najnowsze badanie, które przeprowadzono we współpracy z Australijską Organizacją Nauki i Technologii Jądrowej (ANSTO), Organizacją Badań nad Akceleratorami Wysokiej Energii (KEK) i Uniwersytetem Tohoku, zostało opublikowane w czasopiśmie Chemistry of Materials.

Po sprawdzeniu różnych kompozycji Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2 zespół odkrył, że Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 ma niezwykłe przewodnictwo protonów i jonów tlenkowych. „Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 wykazywał przewodność nasypową 11 mS/cm przy 537 ℃ w wilgotnym powietrzu i 10 mS/cm przy 593 ℃ w suchym powietrzu. Całkowita przewodność prądu stałego przy 400 ℃ w wilgotnym powietrzu Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 była 13 razy wyższa niż Ba7Nb4MoO20, a przewodność masowa w suchym powietrzu przy 306 ℃ jest 175 razy wyższa niż w przypadku konwencjonalnego tlenku cyrkonu stabilizowanego itrem (YSZ)” – podkreśla prof. Yashima.

Następnie badacze starali się rzucić światło na mechanizmy leżące u podstaw tych wysokich wartości przewodności. W tym celu przeprowadzili symulacje dynamiki molekularnej ab initio (AIMD), eksperymenty dyfrakcji neutronów i analizy gęstości długości rozpraszania neutronów. Techniki te umożliwiły im bardziej szczegółowe zbadanie struktury Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 i określenie, co czyni go wyjątkowym jako przewodnik dwujonowy.

Co ciekawe, zespół odkrył, że wysoka przewodność tlenkowo-jonowa Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 wynika z unikalnego zjawiska (rysunek). Okazuje się, że sąsiadujące ze sobą monomery MO5 w Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 mogą tworzyć dimery M2O9 dzieląc atom tlenu w jednym ze swoich rogów (M = Nb lub kation Mo). Rozbijanie i przekształcanie tych dimerów powoduje ultraszybki ruch jonów tlenkowych w sposób analogiczny do długiej kolejki ludzi przekazujących wiadra z wodą (jony tlenkowe) od jednej osoby do drugiej. Co więcej, symulacje AIMD wykazały, że obserwowane wysokie przewodnictwo protonów wynikało z wydajnej migracji protonów w sześciokątnych, gęsto upakowanych warstwach BaO3 w materiale.

Podsumowując, wyniki tego badania podkreślają potencjał przewodników dwujonowych na bazie perowskitu i mogą służyć jako wytyczne dotyczące racjonalnego projektowania tych materiałów. „Obecne odkrycia dotyczące wysokich przewodności i unikalnych mechanizmów migracji jonów w Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 pomogą w rozwoju nauki i inżynierii przewodników tlenkowo-jonowych, protonowych i dwujonowych” – podsumowuje pełen nadziei profesor Yashima.

Mamy nadzieję, że dalsze badania doprowadzą nas do jeszcze lepiej przewodzących materiałów dla technologii energetycznych nowej generacji.

####

O Tokyo Institute of Technology
Tokyo Tech stoi na czele badań i szkolnictwa wyższego jako wiodący uniwersytet
nauki i technologii w Japonii. Badacze z Tokyo Tech przodują w różnych dziedzinach, m.in
materiałoznawstwo po biologię, informatykę i fizykę. Założona w 1881 roku firma Tokyo Tech
co roku przyjmuje ponad 10,000 XNUMX studentów studiów licencjackich i magisterskich, którzy rozwijają się w kierunku naukowym
liderzy i jedni z najbardziej poszukiwanych inżynierów w branży. Ucieleśnienie Japończyków
filozofia „monotsukuri”, czyli „pomysłowość techniczna i innowacja”, Tokyo Tech
społeczność stara się wnosić wkład w społeczeństwo poprzez badania o dużym wpływie.
https://www.titech.ac.jp/english/

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Emiko Kawaguchi
Tokyo Institute of Technology
Biuro: +81-3-5734-2975

Prawa autorskie © Tokyo Institute of Technology

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: