Nanotehnologija zdaj - Sporočilo za javnost: Osvetlitev edinstvenih prevodnih mehanizmov v novi vrsti perovskitnega oksida

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Osvetlitev edinstvenih mehanizmov prevodnosti v novi vrsti perovskitnega oksida

Zgornja slika prikazuje posnetek migracije oksidnih ionov. Rdeči in zeleni oksidni ioni se premikajo z lomljenjem in reformiranjem dimerov M2O9, kar omogoča hitro difuzijo oksidnih ionov, kjer je kation M Nb5+ ali Mo6+. Porazdelitev gostote dolžine sipanja nevtronov iz podatkov nevtronske difrakcije pri 800 ℃ na spodnji levi sliki se ujema s časovno in prostorsko povprečno porazdelitvijo gostote verjetnosti oksidnih ionov iz ab initio simulacij molekularne dinamike na spodnji desni sliki. Intersticijski atom O5 na spodnji levi sliki ustreza atomu kisika, ki si deli vogale (Osh na spodnji desni sliki in kvadratki na zgornji sliki).

KREDIT
Kemija materialov

Povzetek:
Izjemna prevodnost protonov in oksidnih ionov (dvojnih ionov) heksagonalnega perovskita povezanega oksida Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 je obetavna za elektrokemične naprave naslednje generacije, kot so poročali znanstveniki iz Tokyo Tech. Upamo, da bodo edinstveni mehanizmi za prenos ionov, ki so jih predstavili, utrli pot boljšim dvojnim ionskim prevodnikom, ki bi lahko igrali bistveno vlogo v jutrišnjih tehnologijah čiste energije.

Osvetlitev edinstvenih mehanizmov prevodnosti v novi vrsti perovskitnega oksida

Tokio, Japonska | Objavljeno 17. novembra 2023

Tehnologije čiste energije so temelj trajnostnih družb, gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC) in protonske keramične gorivne celice (PCFC) pa so med najbolj obetavnimi vrstami elektrokemičnih naprav za proizvodnjo zelene energije. Te naprave pa se še vedno soočajo z izzivi, ki ovirajo njihov razvoj in sprejetje.

Idealno bi bilo, da bi SOFC delovali pri nizkih temperaturah, da bi preprečili neželene kemične reakcije, ki bi razgradile njihove sestavne materiale. Na žalost večina znanih oksidno-ionskih prevodnikov, ki so ključni sestavni del SOFC-jev, kaže spodobno ionsko prevodnost le pri povišanih temperaturah. Kar zadeva PCFC, ne samo, da so kemično nestabilni v atmosferi ogljikovega dioksida, ampak zahtevajo tudi energetsko intenzivne korake obdelave pri visoki temperaturi med proizvodnjo.

Na srečo obstaja vrsta materiala, ki lahko reši te težave z združevanjem prednosti SOFC-jev in PCFC-jev: dvoionski prevodniki. S podpiranjem difuzije protonov in oksidnih ionov lahko dvoionski prevodniki dosežejo visoko skupno prevodnost pri nižjih temperaturah in izboljšajo delovanje elektrokemičnih naprav. Čeprav so poročali o nekaterih s perovskitom povezanih dvoionskih prevodnih materialih, kot je Ba7Nb4MoO20, njihova prevodnost ni dovolj visoka za praktično uporabo, njihovi osnovni prevodni mehanizmi pa niso dobro razumljeni.

Glede na to se je raziskovalna skupina, ki jo vodi profesor Masatomo Yashima s Tokijskega inštituta za tehnologijo na Japonskem, odločila raziskati prevodnost materialov, podobnih 7Nb4MoO20, vendar z višjim deležem Mo (to je Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Njihova najnovejša študija, ki je bila izvedena v sodelovanju z avstralsko organizacijo za jedrsko znanost in tehnologijo (ANSTO), raziskovalno organizacijo za pospeševanje visoke energije (KEK) in univerzo Tohoku, je bila objavljena v Chemistry of Materials.

Po pregledu različnih sestavkov Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2 je ekipa ugotovila, da ima Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 izjemno prevodnost protonov in oksidnih ionov. »Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 je pokazal skupno prevodnost 11 mS/cm pri 537 ℃ pod mokrim zrakom in 10 mS/cm pri 593 ℃ pod suhim zrakom. Skupna prevodnost enosmernega toka pri 400 ℃ v mokrem zraku Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 je bila 13-krat višja od prevodnosti Ba7Nb4MoO20, skupna prevodnost v suhem zraku pri 306 ℃ pa je 175-krat večja kot pri običajnem z itrijem stabiliziranem cirkonijevem oksidu. (YSZ),« poudarja prof. Yashima.

Nato so raziskovalci poskušali osvetliti osnovne mehanizme za temi visokimi vrednostmi prevodnosti. V ta namen so izvedli ab initio simulacije molekularne dinamike (AIMD), poskuse nevtronske difrakcije in analize gostote dolžine sipanja nevtronov. Te tehnike so jim omogočile, da so podrobneje preučili strukturo Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 in ugotovili, zakaj je poseben kot dvoionski prevodnik.

Zanimivo je, da je skupina ugotovila, da visoka prevodnost oksidnih ionov Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 izvira iz edinstvenega pojava (slika). Izkazalo se je, da sosednji monomeri MO5 v Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 lahko tvorijo dimere M2O9 z delitvijo atoma kisika na enem od svojih vogalov (M = kation Nb ali Mo). Razbijanje in preoblikovanje teh dimerjev povzroči ultrahitro gibanje oksidnih ionov na način, ki je podoben dolgi vrsti ljudi, ki prenašajo vedra vode (oksidnih ionov) od ene osebe do druge. Poleg tega so simulacije AIMD pokazale, da je bila opažena visoka prevodnost protonov posledica učinkovite migracije protonov v heksagonalnih tesno zapakiranih plasteh BaO3 v materialu.

Rezultati te študije skupaj poudarjajo potencial dvojnih ionskih prevodnikov, povezanih s perovskitom, in bi lahko služili kot smernice za racionalno zasnovo teh materialov. "Sedanje ugotovitve o visoki prevodnosti in edinstvenih mehanizmih ionske migracije v Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 bodo pomagale razvoju znanosti in inženiringa oksidnih ionskih, protonskih in dvojnih ionskih prevodnikov," zaključuje prof. Yashima, poln upanja.

Upamo, da nas bodo nadaljnje raziskave pripeljale do še boljših prevodnih materialov za energetske tehnologije naslednje generacije.

####

O tokijskem tehnološkem inštitutu
Tokyo Tech stoji na čelu raziskav in visokega šolstva kot vodilna univerza
za znanost in tehnologijo na Japonskem. Raziskovalci Tokyo Tech blestijo na različnih področjih od
znanosti o materialih do biologije, računalništva in fizike. Leta 1881 ustanovljeno Tokyo Tech
vsako leto gosti preko 10,000 dodiplomskih in podiplomskih študentov, ki se razvijajo v znanstvenike
voditelji in nekateri najbolj iskani inženirji v industriji. Utelešenje Japoncev
filozofija »monotsukuri«, kar pomeni »tehnična iznajdljivost in inovativnost«, Tokyo Tech
skupnost si prizadeva prispevati k družbi z visoko vplivnimi raziskavami.
https://www.titech.ac.jp/english/

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Emiko Kawaguchi
Tokijski tehnološki inštitut
Urad: +81-3-5734-2975

Avtorske pravice © Tokyo Institute of Technology

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek: