Нанотехнологии сегодня - Пресс-релиз: Проливаем свет на уникальные механизмы проводимости в новом типе оксида перовскита

Переиздано Платоном

Читают: 0

Главная > Нажмите > Пролить свет на уникальные механизмы проводимости в новом типе оксида перовскита

На верхнем рисунке показан снимок миграции оксид-иона. Красные и зеленые оксидные ионы движутся за счет разрушения и реформирования димеров M2O9, что обеспечивает быструю диффузию оксидных ионов, где катионом M является Nb5+ или Mo6+. Распределение плотности длины рассеяния нейтронов по данным нейтронной дифракции при 800 ℃ на нижнем левом рисунке согласуется с усредненным по времени и пространству распределением плотности вероятности оксидных ионов из ab initio молекулярно-динамического моделирования на нижнем правом рисунке. Межузельный атом O5 на нижнем левом рисунке соответствует атому кислорода, имеющему общий угол (Ош на нижнем правом рисунке и квадраты на верхнем рисунке).

КРЕДИТ
Химия материалов

Абстрактные:
Как сообщили ученые из Токийского технологического института, замечательная протонная и оксидно-ионная (двойная ионная) проводимость гексагонального оксида, родственного перовскиту, Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 перспективна для электрохимических устройств следующего поколения. Мы надеемся, что уникальные механизмы транспорта ионов, которые они представили, проложат путь к созданию более совершенных двухионных проводников, которые могут сыграть важную роль в технологиях чистой энергетики завтрашнего дня.

Пролить свет на уникальные механизмы проводимости в новом типе оксида перовскита

Токио, Япония | Опубликовано 17 ноября 2023 г.

Технологии чистой энергии являются краеугольным камнем устойчивого общества, а твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и протонно-керамические топливные элементы (ПКТЭ) являются одними из наиболее многообещающих типов электрохимических устройств для производства экологически чистой энергии. Однако эти устройства по-прежнему сталкиваются с проблемами, которые препятствуют их разработке и внедрению.

В идеале ТОТЭ должны эксплуатироваться при низких температурах, чтобы предотвратить нежелательные химические реакции, приводящие к разложению составляющих их материалов. К сожалению, большинство известных оксидно-ионных проводников, ключевых компонентов ТОТЭ, демонстрируют приличную ионную проводимость только при повышенных температурах. Что касается ПХФУ, то они не только химически нестабильны в атмосфере углекислого газа, но также требуют энергоемких этапов высокотемпературной обработки во время производства.

К счастью, существует тип материала, который может решить эти проблемы, объединив преимущества ТОТЭ и ПКТЭ: двухионные проводники. Поддерживая диффузию как протонов, так и оксидных ионов, двухионные проводники могут обеспечивать высокую общую проводимость при более низких температурах и улучшать характеристики электрохимических устройств. Хотя сообщалось о некоторых двухионных проводящих материалах на основе перовскита, таких как Ba7Nb4MoO20, их проводимость недостаточно высока для практического применения, а лежащие в их основе механизмы проводимости недостаточно изучены.

На этом фоне исследовательская группа под руководством профессора Масатомо Яшима из Токийского технологического института, Япония, решила исследовать проводимость материалов, подобных 7Nb4MoO20, но с более высокой долей Mo (то есть Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Их последнее исследование, проведенное в сотрудничестве с Австралийской организацией ядерной науки и технологий (ANSTO), Исследовательской организацией ускорителей высоких энергий (KEK) и Университетом Тохоку, было опубликовано в журнале Chemistry of Materials.

После скрининга различных составов Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2 команда обнаружила, что Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 обладает замечательной протонной и оксидно-ионной проводимостью. «Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 продемонстрировал объемную проводимость 11 мСм/см при 537 ℃ во влажном воздухе и 10 мСм/см при 593 ℃ в сухом воздухе. Суммарная проводимость постоянного тока при 400 ℃ во влажном воздухе у Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 в 13 раз выше, чем у Ba7Nb4MoO20, а объемная проводимость в сухом воздухе при 306 ℃ в 175 раз выше, чем у обычного диоксида циркония, стабилизированного иттрием. (YSZ)», — подчеркивает профессор Яшима.

Затем исследователи попытались пролить свет на механизмы, лежащие в основе таких высоких значений проводимости. С этой целью они провели ab initio молекулярно-динамическое моделирование (AIMD), эксперименты по дифракции нейтронов и анализ плотности длины рассеяния нейтронов. Эти методы позволили им более детально изучить структуру Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 и определить, что делает его особенным как двухионный проводник.

Интересно, что команда обнаружила, что высокая оксидно-ионная проводимость Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 обусловлена уникальным явлением (рис.). Оказывается, соседние мономеры MO5 в Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 могут образовывать димеры M2O9 за счет общего атома кислорода в одном из своих углов (M = Nb или катион Мо). Разрушение и реформирование этих димеров приводит к сверхбыстрому движению оксид-ионов, аналогично длинной очереди людей, передающих ведра с водой (оксид-ионы) от одного человека к другому. Кроме того, моделирование AIMD показало, что наблюдаемая высокая протонная проводимость обусловлена эффективной миграцией протонов в гексагональных плотноупакованных слоях BaO3 в материале.

В совокупности результаты этого исследования подчеркивают потенциал двухионных проводников на основе перовскита и могут служить руководством для рационального проектирования этих материалов. «Настоящие открытия о высокой проводимости и уникальных механизмах миграции ионов в Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 помогут развитию науки и техники в области оксидно-ионных, протонных и двухионных проводников», — заключает обнадеживающий профессор Яшима.

Мы надеемся, что дальнейшие исследования приведут нас к еще более лучшей проводимости материалов для энергетических технологий следующего поколения.

####

О Токийском технологическом институте
Tokyo Tech находится на переднем крае исследований и высшего образования как ведущий университет.
по науке и технике в Японии. Исследователи Токийского технологического института преуспевают в самых разных областях: от
от материаловедения до биологии, информатики и физики. Токийский технологический институт, основанный в 1881 году.
принимает более 10,000 XNUMX студентов и аспирантов в год, которые превращаются в научных
лидеры и некоторые из самых востребованных инженеров в промышленности. Воплощая японский стиль
Философия «моноцукури», что означает «техническая изобретательность и инновации», Токийский технологический институт
сообщество стремится внести свой вклад в жизнь общества посредством высокоэффективных исследований.
https://www.titech.ac.jp/english/

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, нажмите здесь

Контактная информация:
Эмико Кавагути
Токийский технологический институт
Офис: + 81-3-5734-2975

Если у вас есть комментарий, пожалуйста Контакты нас.

Издатели новостных выпусков, а не 7th Wave, Inc. или Nanotechnology Now, несут единоличную ответственность за точность содержания.

Закладка: