Materialer af apatit-type uden interstitielle oxygens viser høj oxid-ion-ledningsevne ved overbinding

Forskere ved Tokyo Institute of Technology og samarbejdspartnere har vist overbinding af kanaloxygener i Lanthan-silikater af apatit-type, snarere end tilstedeværelsen af ​​de interstitielle iltstoffer, at være ansvarlig for den høje oxid-ion-ledningsevne. Dette koncept om "høj oxid-ion-ledningsevne ved overbinding" åbner døren for at designe bedre ionledere, som kan være nyttige i energiomdannelse og miljøbeskyttelse.

Fastoxidelektrolytter er blevet grundigt undersøgt på grund af deres brede anvendelsesområde i brændselsceller i fastoxid (SOFC'er), iltmembraner, katalysatorer, og gassensorer. Elektrolytter med høj oxid-ion-ledningsevne ved temperaturer under 600 grader C er påkrævet for at reducere driftstemperaturen for SOFC'er. Professor Susumu Nakayama ved National Institute of Technology, Niihama College har i 1995 opdaget den ekstremt høje oxid-ion-ledningsevne i det mellemliggende temperaturområde under 600 ° C, hvilket har opmuntret mange forskere til at studere dette fænomens strukturelle oprindelse.

Det blev antaget, at den høje oxid-ion-ledningsevne af materialer af apatit-type skyldes interstitielle oxygens. Imidlertid, i denne nye undersøgelse, Professor Masatomo Yashima, Dr. Kotaro Fujii ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), og deres kolleger har vist, at materialer af apatit-type indeholder Si ledige stillinger, men ikke iltinterstitialer. Si -stillingerne i materialerne er oprindeligt blevet foreslået af professor Koichiro Fukuda ved Nagoya Institute of Technology.

Gennem single-crystal neutron diffraktionsundersøgelser ved hjælp af SENJU diffraktometer installeret på MLF, J-PARC facilitet (figur 1), de var i stand til nøjagtigt at bestemme krystalstrukturerne af apatitmaterialerne La _9.333 Si ₆ O ₂₆ og La-rige La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ (□ betegner Si ledig stilling) inklusive belægningsfaktorer, atomforskydningsparametre, og rumlige fordelinger af iltatomer. De målte også tætheden og oxid-ion-ledningsevnen for de to materialer. I dette arbejde, La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ blev valgt på grund af dets høje oxid-ion-ledningsevne.

Ved strukturanalyser ved hjælp af diffraktionsdata, forskerne fandt Si ledige stillinger, ingen interstitielle iltstoffer, og større positionsforstyrrelse af oxidionen ved O ₄ sted i apatitkanalen sammenlignet med grundmaterialet La _9.333 Si ₆ O ₂₆ (Figur 2). Den lavere aktiveringsenergi for oxid-ionledningen langs c-aksen viste sig at være hovedårsagen til den højere oxid-ion-ledningsevne af La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O26 i forhold til La _9.333 Si ₆ O ₂₆ . Det overskydende La gav overbinding af O ₄ oxidion i La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ sammenlignet med La _9.333 Si ₆ O ₂₆ , hvilket førte til højere oxid-ion-mobilitet og ledningsevne hos La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ med Si ledige stillinger (figur 2). Densitetsmålinger ved hjælp af Archimedes -metoden understøttede tilstedeværelsen af ​​Si -ledige stillinger i La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ .

Dermed, forskerne foreslog, at overskydende La kationer er ansvarlige for overbundne kanaloxygener langs c -aksen, hvilket fører til stærkt anisotrop atomforskydning og høj iltmobilitet. Derfor kan dette nye koncept om "høj oxid-ion-ledningsevne ved overbinding" være nyttigt til at designe bedre ionledere.