Нанотехнології зараз - Прес-реліз: пролиття світла на унікальні механізми провідності в новому типі оксиду перовскіту

Перевидано Платоном

читають: 0

Головна > прес > Проливання світла на унікальні механізми провідності в новому типі оксиду перовскіту

На верхньому малюнку показано знімок міграції оксид-іонів. Червоні та зелені оксидні іони рухаються шляхом руйнування та реформування димерів M2O9, що забезпечує швидку дифузію оксид-іонів, де катіон M є Nb5+ або Mo6+. Розподіл щільності довжини розсіювання нейтронів за даними дифракції нейтронів при 800 ℃ на нижньому лівому малюнку узгоджується з усередненим у часі та просторі розподілом щільності ймовірності іонів оксиду з ab initio моделювання молекулярної динаміки на нижньому правому малюнку. Проміжний атом O5 на нижньому лівому малюнку відповідає спільному куту атома кисню (Osh на нижньому правому малюнку та квадрати на верхньому малюнку).

КРЕДИТ
Хімія матеріалів

Анотація:
Чудові протонні та оксидно-іонні (двоіонні) провідності гексагонального оксиду Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1, пов’язаного з перовскітом, є перспективними для електрохімічних пристроїв наступного покоління, як повідомили вчені Tokyo Tech. Унікальні механізми транспортування іонів, які вони оприлюднили, сподіваються, прокладуть шлях до кращих подвійних іонних провідників, які можуть зіграти важливу роль у технологіях чистої енергії майбутнього.

Пролиття світла на унікальні механізми провідності в новому типі оксиду перовскіту

Токіо, Японія | Опубліковано 17 листопада 2023 р

Технології чистої енергії є наріжним каменем стійких суспільств, а твердооксидні паливні елементи (SOFC) і протонні керамічні паливні елементи (PCFC) є одними з найбільш перспективних типів електрохімічних пристроїв для виробництва зеленої енергії. Однак ці пристрої все ще стикаються з проблемами, які перешкоджають їх розробці та прийняттю.

В ідеалі ТОТЕ повинні працювати при низьких температурах, щоб запобігти небажаним хімічним реакціям, що призводять до погіршення матеріалів, що входять до їх складу. На жаль, більшість відомих оксидно-іонних провідників, ключових компонентів SOFC, демонструють пристойну іонну провідність лише за підвищених температур. Що стосується PCFC, то вони не тільки хімічно нестійкі в атмосфері вуглекислого газу, але також потребують енергоємних високотемпературних етапів обробки під час виробництва.

На щастя, існує тип матеріалу, який може вирішити ці проблеми, поєднуючи переваги як SOFC, так і PCFC: подвійні іонні провідники. Підтримуючи дифузію як протонів, так і оксидних іонів, двоіонні провідники можуть забезпечувати високу загальну провідність за нижчих температур і покращувати продуктивність електрохімічних пристроїв. Хоча повідомлялося про деякі пов’язані з перовскітом подвійні іонні провідні матеріали, такі як Ba7Nb4MoO20, їх провідність недостатньо висока для практичного застосування, а механізми їхньої провідності недостатньо вивчені.

На цьому тлі дослідницька група під керівництвом професора Масатомо Яшіми з Токійського технологічного інституту, Японія, вирішила дослідити провідність матеріалів, подібних до 7Nb4MoO20, але з більшою часткою Mo (тобто Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Їх останнє дослідження, яке було проведено у співпраці з Австралійською організацією ядерної науки і технологій (ANSTO), Дослідницькою організацією прискорювачів високих енергій (KEK) і Університетом Тохоку, було опубліковано в Chemistry of Materials.

Після перевірки різних складів Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2 команда виявила, що Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 має чудову протонну та оксидно-іонну провідність. «Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 продемонстрував об’ємну провідність 11 мСм/см при 537 ℃ у вологому повітрі та 10 мСм/см при 593 ℃ у сухому повітрі. Загальна провідність постійного струму при 400 ℃ у вологому повітрі Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 була в 13 разів вищою, ніж у Ba7Nb4MoO20, а об’ємна провідність у сухому повітрі при 306 ℃ у 175 разів вища, ніж у звичайного діоксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію. (YSZ),» підкреслює професор Яшіма.

Потім дослідники намагалися пролити світло на механізми, що лежать в основі цих високих значень електропровідності. З цією метою вони провели моделювання молекулярної динаміки ab initio (AIMD), експерименти з дифракцією нейтронів і аналіз щільності довжини розсіювання нейтронів. Ці методи дозволили їм більш детально вивчити структуру Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 і визначити, що робить його особливим як подвійний іонний провідник.

Цікаво, що команда виявила, що висока оксидно-іонна провідність Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 походить від унікального явища (рисунок). Виявилося, що сусідні мономери MO5 у Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 можуть утворювати димери M2O9 за допомогою спільного атома кисню в одному з їхніх кутів (M = катіон Nb або Mo). Розрив і реформування цих димерів призводить до надшвидкого руху оксид-іонів у спосіб, аналогічний довгому ряду людей, які передають відра води (оксид-іонів) від однієї людини до іншої. Крім того, моделювання AIMD показало, що спостережувана висока протонна провідність була зумовлена ефективною міграцією протонів у гексагональних щільно упакованих шарах BaO3 у матеріалі.

У сукупності результати цього дослідження підкреслюють потенціал двоіонних провідників, пов’язаних із перовскітом, і можуть слугувати вказівками для раціонального проектування цих матеріалів. «Нинішні відкриття щодо високої провідності та унікальних механізмів міграції іонів у Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 допоможуть розвитку науки та техніки оксидно-іонних, протонних та подвійних іонних провідників», — підсумовує професор Ясіма, який сподівається.

Ми сподіваємось, що подальші дослідження приведуть нас до ще кращих електропровідних матеріалів для енергетичних технологій наступного покоління.

####

Про Токійський технологічний інститут
Tokyo Tech стоїть на передовій досліджень і вищої освіти як провідний університет
для науки і техніки в Японії. Дослідники Tokyo Tech досягли успіху в різних галузях
матеріалознавства до біології, інформатики та фізики. Заснована в 1881 році компанія Tokyo Tech
приймає понад 10,000 XNUMX студентів та аспірантів на рік, які розвиваються в науковців
лідери та деякі з найбільш затребуваних інженерів у галузі. Втілюючи японців
філософія «моноцукурі», що означає «технічна винахідливість та інновації», Токійський технічний
спільнота прагне внести свій внесок у суспільство через результативні дослідження.
https://www.titech.ac.jp/english/

Для отримання додаткової інформації натисніть тут

Контакти:
Еміко Кавагуті
Токійський технологічний інститут
Офіс: +81-3-5734-2975

Авторське право © Токійський технологічний інститут

Якщо у вас є коментар, будь ласка Контакти нам.

Видавці випусків новин, а не 7th Wave, Inc. або Nanotechnology Now, несуть повну відповідальність за точність змісту.

Закладка: