Nanotehnologie acum - Comunicat de presă: Aruncarea lumină asupra mecanismelor de conducere unice într-un nou tip de oxid de perovskit

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Acasă > Anunturi > Aruncarea lumină asupra mecanismelor de conducere unice într-un nou tip de oxid de perovskit

$Figura de sus arată instantaneul pentru migrarea ionilor de oxid. Ionii de oxid roșu și verde se mișcă prin ruperea și reformarea dimerilor M2O9, ceea ce permite difuzia rapidă a ionilor de oxid unde cationul M este Nb5+ sau Mo6+. Distribuția densității lungimii de împrăștiere a neutronilor din datele de difracție a neutronilor la 800 ℃ din figura din stânga jos este în acord cu distribuția densității de probabilitate medie în timp și spațiu a ionilor de oxid din simulările de dinamică moleculară ab initio din figura din dreapta jos. Atomul interstițial de O5 din figura din stânga jos corespunde atomului de oxigen care împarte colțul (Osh în figura din dreapta jos și pătratele din figura de sus). CREDIT Chimia Materialelor$

The top figure shows the snapshot for the oxide-ion migration. The red and green oxide ions move by breaking and reforming of M2O9 dimers, which enables fast oxide-ion diffusion where the M cation is Nb5+ or Mo6+. The neutron scattering length density distribution from neutron diffraction data at 800 ℃ in the bottom left figure agrees with the time- and space-averaged probability density distribution of oxide ions from ab initio molecular dynamics simulations in the bottom right figure. The interstitial O5 atom in the bottom left figure corresponds to the corner-sharing oxygen atom (Osh in the bottom right figure and squares in the top figure).

CREDIT
Chimia materialelor

Rezumat:
Conductivitățile remarcabile ale protonilor și oxid-ionului (ion dublu) ale oxidului hexagonal Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 sunt promițătoare pentru dispozitivele electrochimice de generație următoare, așa cum au raportat oamenii de știință de la Tokyo Tech. Mecanismele unice de transport de ioni pe care le-au dezvăluit vor deschide, sperăm, calea pentru conductori duali de ioni mai buni, care ar putea juca un rol esențial în tehnologiile de energie curată de mâine.

Aruncarea lumină asupra mecanismelor de conducere unice într-un nou tip de oxid de perovskit

Tokyo, Japonia | Postat pe 17 noiembrie 2023

Tehnologiile de energie curată sunt piatra de temelie a societăților durabile, iar pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) și celulele de combustibil cu protoni ceramice (PCFC) sunt printre cele mai promițătoare tipuri de dispozitive electrochimice pentru generarea de energie ecologică. Cu toate acestea, aceste dispozitive se confruntă în continuare cu provocări care împiedică dezvoltarea și adoptarea lor.

În mod ideal, SOFC-urile ar trebui să fie operate la temperaturi scăzute pentru a preveni reacțiile chimice nedorite să degradeze materialele lor constitutive. Din păcate, majoritatea conductorilor de ioni de oxid cunoscuți, o componentă cheie a SOFC-urilor, prezintă doar o conductivitate ionică decentă la temperaturi ridicate. În ceea ce privește PCFC, nu numai că sunt instabili chimic în atmosfere cu dioxid de carbon, dar necesită și etape de procesare la temperaturi ridicate, consumatoare de energie, în timpul producției.

Din fericire, există un tip de material care poate rezolva aceste probleme combinând beneficiile atât ale SOFC-urilor, cât și ale PCFC-urilor: conductorii dual-ion. Sprijinind difuzia atât a protonilor, cât și a ionilor de oxid, conductoarele cu ioni duali pot realiza o conductivitate totală ridicată la temperaturi mai scăzute și pot îmbunătăți performanța dispozitivelor electrochimice. Deși au fost raportate unele materiale conductoare de ioni duali legate de perovskit, cum ar fi Ba7Nb4MoO20, conductivitățile lor nu sunt suficient de ridicate pentru aplicații practice, iar mecanismele lor conducătoare subiacente nu sunt bine înțelese.

În acest context, o echipă de cercetare condusă de profesorul Masatomo Yashima de la Institutul de Tehnologie din Tokyo, Japonia, a decis să investigheze conductivitatea materialelor similare cu 7Nb4MoO20, dar cu o fracție de Mo mai mare (adică Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Cel mai recent studiu al lor, care a fost realizat în colaborare cu Organizația Australiană pentru Știință și Tehnologie Nucleară (ANSTO), Organizația de Cercetare a Acceleratorului de Înaltă Energie (KEK) și Universitatea Tohoku, a fost publicat în Chemistry of Materials.

După ce a analizat diferite compoziții Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, echipa a descoperit că Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 avea conductivități remarcabile de protoni și oxid-ion. „Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 a prezentat conductivități în vrac de 11 mS/cm la 537 ℃ sub aer umed și 10 mS/cm la 593 ℃ sub aer uscat. Conductivitatea totală a curentului continuu la 400 ℃ în aer umed a Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 a fost de 13 ori mai mare decât cea a Ba7Nb4MoO20, iar conductivitatea în vrac în aer uscat la 306 ℃ este de 175 ori mai mare decât cea a zirconiei convenționale stabilizate cu ytria. (YSZ)”, subliniază prof. Yashima.

Apoi, cercetătorii au încercat să facă lumină asupra mecanismelor care stau la baza acestor valori ridicate de conductivitate. În acest scop, au efectuat simulări de dinamică moleculară ab initio (AIMD), experimente de difracție a neutronilor și analize de densitate a lungimii de împrăștiere a neutronilor. Aceste tehnici le-au permis să studieze structura lui Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 mai detaliat și să determine ce îl face special ca conductor dublu-ion.

În mod interesant, echipa a descoperit că conductivitatea ridicată a ionilor de oxid a Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 provine dintr-un fenomen unic (Figura). Se pare că monomerii MO5 adiacenți din Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 pot forma dimeri M2O9 prin împărțirea unui atom de oxigen pe unul dintre colțurile lor (M = Nb sau cation Mo). Ruperea și reformarea acestor dimeri dă naștere la o mișcare ultrarapidă a ionilor de oxid într-un mod analog cu un șir lung de oameni care transmit găleți de apă (ioni de oxid) de la o persoană la alta. Mai mult, simulările AIMD au arătat că conducția ridicată a protonilor observată s-a datorat migrării eficiente a protonilor în straturile hexagonale de BaO3 compacte din material.

Luate împreună, rezultatele acestui studiu evidențiază potențialul conductoarelor duale de ioni legate de perovskit și ar putea servi drept linii directoare pentru proiectarea rațională a acestor materiale. „Descoperirile actuale ale conductivităților ridicate și ale mecanismelor unice de migrare a ionilor în Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 vor ajuta la dezvoltarea științei și ingineriei conductoarelor de ioni de oxid, protoni și ioni duali”, conchide prof. Yashima plin de speranță.

Sperăm că cercetările ulterioare ne vor conduce la materiale conducătoare și mai bune pentru tehnologiile energetice de ultimă generație.

####

Despre Tokyo Institute of Technology
Tokyo Tech se află în fruntea cercetării și învățământului superior ca universitate lider
pentru știință și tehnologie în Japonia. Cercetătorii Tokyo Tech excelează în domenii variind de la
știința materialelor până la biologie, informatică și fizică. Fondată în 1881, Tokyo Tech
găzduiește peste 10,000 de studenți de licență și absolvenți pe an, care devin științifici
lideri și unii dintre cei mai căutați ingineri din industrie. Întruchipând japonezii
filozofia „monotsukuri”, însemnând „ingeniozitate tehnică și inovație”, Tokyo Tech
comunitatea se străduiește să contribuie la societate prin cercetare de mare impact.
https://www.titech.ac.jp/english/

Pentru mai multe informații, faceți clic pe aici

Contacte:
Emiko Kawaguchi
Institutul de Tehnologie din Tokyo
Birou: +81-3-5734-2975

Drepturi de autor © Tokyo Institute of Technology

Dacă aveți un comentariu, vă rog Contact ne.

Emitenții de comunicate de știri, nu 7th Wave, Inc. sau Nanotechnology Now, sunt singuri responsabili pentru acuratețea conținutului.

Bookmark: