Nanotecnologia agora - Comunicado à imprensa: lançando luz sobre mecanismos de condução exclusivos em um novo tipo de óxido de perovskita

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A figura superior mostra o instantâneo da migração de íons óxido. Os íons óxido vermelho e verde se movem quebrando e reformando os dímeros M2O9, o que permite a rápida difusão do íon óxido onde o cátion M é Nb5+ ou Mo6+. A distribuição de densidade de comprimento de espalhamento de nêutrons a partir de dados de difração de nêutrons a 800 ℃ na figura inferior esquerda concorda com a distribuição de densidade de probabilidade média no tempo e no espaço de íons óxido de simulações ab initio de dinâmica molecular na figura inferior direita. O átomo intersticial de O5 na figura inferior esquerda corresponde ao átomo de oxigênio que compartilha os cantos (Osh na figura inferior direita e quadrados na figura superior).

CRÉDITO
Química de Materiais

Abstrato:
As notáveis condutividades de prótons e íons óxido (íons duplos) do óxido hexagonal Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 relacionado à perovskita são promissoras para dispositivos eletroquímicos de próxima geração, conforme relatado por cientistas da Tokyo Tech. Os mecanismos únicos de transporte de íons que eles revelaram abrirão caminho para melhores condutores de íons duplos, que poderão desempenhar um papel essencial nas tecnologias de energia limpa de amanhã.

Lançando luz sobre mecanismos de condução únicos em um novo tipo de óxido de perovskita

Tóquio, Japão | Publicado em 17 de novembro de 2023

As tecnologias de energia limpa são a pedra angular das sociedades sustentáveis, e as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) e as células a combustível de cerâmica de prótons (PCFCs) estão entre os tipos mais promissores de dispositivos eletroquímicos para a geração de energia verde. Esses dispositivos, no entanto, ainda enfrentam desafios que dificultam o seu desenvolvimento e adoção.

Idealmente, as SOFCs deveriam ser operadas em baixas temperaturas para evitar que reações químicas indesejadas degradem seus materiais constituintes. Infelizmente, a maioria dos condutores de óxido-íon conhecidos, um componente chave dos SOFCs, exibem apenas uma condutividade iônica decente em temperaturas elevadas. Quanto aos PCFCs, eles não apenas são quimicamente instáveis sob atmosferas de dióxido de carbono, mas também requerem etapas de processamento de alta temperatura e uso intensivo de energia durante a fabricação.

Felizmente, existe um tipo de material que pode resolver esses problemas combinando os benefícios dos SOFCs e dos PCFCs: condutores de íons duplos. Ao apoiar a difusão de prótons e íons de óxido, os condutores de íons duplos podem obter alta condutividade total em temperaturas mais baixas e melhorar o desempenho de dispositivos eletroquímicos. Embora alguns materiais condutores de íons duplos relacionados à perovskita, como Ba7Nb4MoO20, tenham sido relatados, suas condutividades não são altas o suficiente para aplicações práticas e seus mecanismos de condução subjacentes não são bem compreendidos.

Neste contexto, uma equipa de investigação liderada pelo Professor Masatomo Yashima do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão, decidiu investigar a condutividade de materiais semelhantes ao 7Nb4MoO20 mas com uma fracção de Mo mais elevada (isto é, Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Seu último estudo, que foi conduzido em colaboração com a Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO), a Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK) e a Universidade de Tohoku, foi publicado na Chemistry of Materials.

Depois de examinar várias composições de Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, a equipe descobriu que Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 tinha condutividades notáveis de prótons e íons de óxido. “Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 exibiu condutividades aparentes de 11 mS/cm a 537 ℃ sob ar úmido e 10 mS/cm a 593 ℃ sob ar seco. A condutividade total de corrente contínua a 400 ℃ no ar úmido de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 foi 13 vezes maior que a de Ba7Nb4MoO20, e a condutividade em massa no ar seco a 306 ℃ é 175 vezes maior que a da zircônia convencional estabilizada com ítria (YSZ)”, destaca o Prof.

Em seguida, os pesquisadores procuraram esclarecer os mecanismos subjacentes a esses altos valores de condutividade. Para este fim, eles conduziram simulações ab initio de dinâmica molecular (AIMD), experimentos de difração de nêutrons e análises de densidade de comprimento de espalhamento de nêutrons. Essas técnicas permitiram estudar a estrutura do Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 com mais detalhes e determinar o que o torna especial como condutor de íons duplos.

Curiosamente, a equipe descobriu que a alta condutividade de íons óxido de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 se origina de um fenômeno único (Figura). Acontece que monômeros MO5 adjacentes em Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 podem formar dímeros M2O9 compartilhando um átomo de oxigênio em um de seus cantos (M = Nb ou cátion Mo). A quebra e a reforma desses dímeros dão origem a um movimento ultrarrápido de íons óxido de maneira análoga a uma longa fila de pessoas transportando baldes de água (íons óxido) de uma pessoa para outra. Além disso, as simulações AIMD revelaram que a alta condução de prótons observada foi devida à migração eficiente de prótons nas camadas hexagonais de BaO3 compactadas no material.

Tomados em conjunto, os resultados deste estudo destacam o potencial dos condutores de íons duplos relacionados à perovskita e podem servir como diretrizes para o design racional desses materiais. “As atuais descobertas de altas condutividades e mecanismos únicos de migração de íons em Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 ajudarão o desenvolvimento da ciência e da engenharia de condutores de íons óxido, prótons e íons duplos”, conclui um esperançoso Prof.

Esperamos que mais pesquisas nos levem a materiais condutores ainda melhores para tecnologias energéticas de próxima geração.

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Sobre o Instituto de Tecnologia de Tóquio
A Tokyo Tech está na vanguarda da pesquisa e do ensino superior como a universidade líder
para ciência e tecnologia no Japão. Os pesquisadores da Tokyo Tech se destacam em áreas que vão desde
ciência dos materiais à biologia, ciência da computação e física. Fundada em 1881, a Tokyo Tech
acolhe mais de 10,000 estudantes de graduação e pós-graduação por ano, que se desenvolvem em atividades científicas
líderes e alguns dos engenheiros mais requisitados da indústria. Incorporando os japoneses
filosofia de “monotsukuri”, que significa “engenhosidade técnica e inovação”, o Tokyo Tech
comunidade se esforça para contribuir com a sociedade por meio de pesquisas de alto impacto.
https://www.titech.ac.jp/english/

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