Nye data opnået om dobbeltperovskitoxider

Journal of Alloys and Compounds har publiceret en artikel medforfattet af Institute of Solid State Chemistry and Mechanokemi (Ural-grenen af ​​det russiske videnskabsakademi), Donostia International Physics Centre, og HSE Tikhonov Moskva Institut for Elektronik og Matematik om egenskaberne ved kubiske dobbelte perovskitoxider. Til dato, eksperimentelle målinger af mineralernes egenskaber har ikke svaret til resultaterne af teoretisk modellering. Værket markerer første gang, at forskere har sat sig selv til opgave at forklare denne ulighed. De opnåede data vil give forskere mulighed for at forbedre lavtemperaturbrændselscelleteknologier - et af de vigtigste alternativer til nuværende elektricitetskilder.

Der er voksende opbakning blandt forskere til brugen af ​​brændselsceller i stedet for mere kendte galvaniske batterier. Typiske batterier indeholder begrænsede mængder af stoffer, der bruges til at generere elektricitet - når først batteriet løber tør for brændstof, det holder op med at virke. I brændselsceller, brintbrændstof blandes med ilt for at generere elektricitet, varme, og vand, med brændstoffet tilført udefra og ilt taget fra luften. Det betyder, at sådanne batterier kan fungere, så længe de har en stabil strømforsyning. Det eneste biprodukt af processen er vand, hvilket gør cellerne til et miljøvenligt alternativ til mangan- eller zinkbaserede batterier, som skal bortskaffes ved slutningen af ​​deres liv.

Solid oxide fuel cells (SOFC'er) er en stadig mere lovende teknologi. Cellerne bruger et keramisk materiale (såsom zirconiumdioxid) som en elektrolyt - et medium mellem positivt og negativt ladede elektroder. Fordelene ved fastoxidbrændselsceller omfatter høj effektivitet, pålidelighed, evnen til at blive drevet af forskellige slags brændstof, og en forholdsvis lav pris.

I øvrigt, i modsætning til andre typer brændselsceller, SOFC'er behøver ikke nødvendigvis at være flade med en elektrolyt mellem elektroderne. De kan have forskellige former, såsom rør, hvorigennem luft eller brændstof strømmer gennem indersiden, med en anden gas, der strømmer langs ydersiden.

Fastoxidbrændselsceller har også en hovedulempe:De kræver høje temperaturer (omkring 500-1000°C) for at opretholde de nødvendige kemiske reaktioner. Der kræves dyre platinkatalysatorer for at bruge SOFC'er ved lavere temperaturer, hvilket øger prisen på brændselsceller enormt.

Af denne grund, mange forskere har ledt efter måder at sænke driftstemperaturerne for fastoxidbrændselsceller uden at kompromittere effektiviteten af ​​deres elproduktion. Forskningsområder på området omfatter søgning efter højaktive katalysatorer til de nødvendige reaktioner, udvikling af teknikker til at syntetisere SOFC-komponenter, og skabelsen af ​​effektive materialer til elektroder.

Forskere har foreslået at bruge perovskit-lignende mineraler som elektrolytter med de nødvendige egenskaber til industriel anvendelse. Perovskites er en klasse af mineraler, der består af to negativt ladede ioner og en positivt ladet ion knyttet til hinanden. Forfatterne foreslog at bruge komplekst oxid af molybdater med den dobbelte perovskitstruktur A ₂ MeMoO ₆ , hvor A repræsenterer calcium, strontium, eller barium, og Me repræsenterer 3d-metaller eller magnesium.

Sammensætninger, hvor A =strontium og Me =magnesium eller nikkel, er blevet identificeret som de mest lovende. Disse oxider udviser god elektrisk ledningsevne under reducerende forhold, samt en tolerance over for svovl- og kuloxidurenheder i brændstofgas.

På trods af deres tiltrækningskraft fra et praktisk synspunkt, egenskaberne af dobbelt perovskit-lignende molybdænoxider såsom Sr ₂ Mg _1-x Ni _x MoO ₆ er ikke fuldt ud forstået. Eksperimentelle målinger af stoffernes egenskaber adskiller sig fra teoretiske forudsigelser udledt af beregningsmodeller, som i sig selv er meget afhængige af indledende antagelser og den anvendte softwarekode.

Artiklens forfattere har gjort det første forsøg på at kombinere computermodellering af stoffets elektroniske spektrum med eksperimentelle data om, hvordan Sr. ₂ Mg _1-x Ni _x MoO ₆ leder elektrisk strøm. Resultaterne understøtter den halvledende karakter af Sr ₂ Mg _1-x NixMoO ₆ ledningsevne. Som i metaller, bevægelsen af ​​ladede partikler i halvledere genererer en elektrisk strøm. Imidlertid, i metaller, tilstedeværelsen af ​​frie elektroner skyldes strukturen af ​​stoffet og elektronbindingerne i atomer, mens tilstedeværelsen af ​​ladningsbærere i halvledere bestemmes af adskillige faktorer, hvoraf de vigtigste er renheden og temperaturen af ​​halvlederen.

Forskerne er enige om, at halvledere effektivt kan bruges som elektrolytter i brændselsceller takket være deres gode elektrokemiske egenskaber og høje ionledningsevne. De mener, at yderligere undersøgelser af dobbelte perovskit-lignende oxider vil give nye muligheder for at bruge dette lovende materiale i forskellige energiteknologier.