Nye materialer med høj ilt-ion-ledningsevne åbner en bæredygtig fremtid

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Imperial and High Energy Accelerator Research Organization (KEK) Institute of Materials Structure Science, opdag nye Ba ₇ Nb ₄ MoO ₂₀ -baserede materialer med høj iltion (oxid-ion O ^2- ) ledningsevne-"de sekskantede perovskit-relaterede oxider"-og kaste lys over de underliggende mekanismer, der er ansvarlige for deres ledningsevne. Deres fund fører til at afdække andre lignende materialer, fremme forskning om udvikling af billige og skalerbare vedvarende energiteknologier.

I løbet af de sidste par år har brændselsceller er blevet et omdrejningspunkt for forskning inden for miljøvenlig teknologi på grund af deres overlegne evner til at lagre og producere vedvarende energi og rent brændstof. En typisk type brændselscelle, der vinder frem, er den oxid-ionledende brændselscelle, som primært er fremstillet af materialer, hvorigennem oxidioner (oxygenioner:O ^2- ), let kan bevæge sig. Nye materialer med højere ledningsevne ved lave og mellemliggende temperaturer, give en række fordele i forhold til almindeligt anvendte brændselsceller baseret på yttria-stabiliserede zirkoniumoxid (YSZ) elektrolytter, såsom højere strømproduktionseffektivitet, længere levetid, og lavere omkostninger.

Imidlertid, kun et begrænset antal af sådanne materialer er kendt, og deres anvendelse til udvikling af brændselsceller er stort set forblevet på laboratorieskalaen. For virkelig at opnå en bæredygtig energiøkonomi, nye oxid-ionledere med høj ledningsevne skal opdages, som kan muliggøre en billig og effektiv opskalering af disse teknologier.

Forskere fra Tokyo Tech, Imperial og KEK satte sig for at imødekomme dette behov, og i en nylig undersøgelse, identificeret et nyt oxid-ion-ledende materiale, der kan være repræsentant for en hel familie af oxid-ion-ledere.

Det pågældende materiale har den kemiske formel Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 og er klassificeret som et "sekskantet perovskit-relateret oxid." Prof Masatomo Yashima, der ledede undersøgelsen, forklarer:"Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 viser et bredt stabilitetsinterval og overvejende oxid-ionledning i oxygenpartialtryksområdet fra 2x10 ^-26 til 1 atm. Overraskende, bulk konduktivitet af Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 , 5,8 × 10 ^-4 S/cm, er bemærkelsesværdigt høj ved 310 ° C, og højere end vismutoxid- og zirconiumbaserede materialer. Prof Stephen Skinner kommenterer, at den hurtige oxid -iontransport entydigt blev bekræftet ved hjælp af ¹⁸ O sporingsdiffusionsteknik hos Imperial.

Prof Yashima og hans team bemærker, at krystalstrukturen i Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 indeholder iltmangelige lag, og at dens høje oxid-ion-ledningsevne kan tilskrives oxid-ion-migrationen på c'-lagene. Faktisk, de lykkes med eksperimentel visualisering af O1-O ₅ oxid-ion-diffusionsveje ved neutron-diffraktionsmålinger ved en høj temperatur 800 oC med SuperHRPD-diffraktometer af prof. Takashi Kamiyamas gruppe ved KEK/J-PARC. Prof Yashima siger, at oxidionerne migrerer via interstitialcykeldiffusionsmekanisme gennem interstitiel oktaedrisk O5 og gitter tetraedrisk O1 iltsteder, og at (tetraedriske)-(oktaedriske) diffusionsveje på c'laget i Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 er det samme som dem i et andet sekskantet perovskit-relateret oxid Ba ₃ MoNbO _8,5-δ . Derfor, Prof Yashima og hans team hævder, at "Det fælles træk ved diffusionsmekanismen ville være en vejledning til design af oxid-ion-ledere med de sekskantede perovskit-relaterede strukturer, og at den nuværende konstatering af høje oxid-ion-ledningsevner i sjældne jordfrie Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 antyder forskellige hexagonale perovskit-relaterede oxiders evne som overlegne oxid-ionledere. "