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| La figura superior muestra la instantánea de la migración de iones de óxido. Los iones de óxido rojo y verde se mueven rompiendo y reformando los dímeros M2O9, lo que permite una rápida difusión del ion óxido donde el catión M es Nb5+ o Mo6+. La distribución de densidad de longitud de dispersión de neutrones a partir de datos de difracción de neutrones a 800 ℃ en la figura inferior izquierda concuerda con la distribución de densidad de probabilidad promediada en tiempo y espacio de iones óxido de simulaciones de dinámica molecular ab initio en la figura inferior derecha. El átomo de O5 intersticial en la figura inferior izquierda corresponde al átomo de oxígeno que comparte la esquina (Osh en la figura inferior derecha y cuadrados en la figura superior). CRÉDITO Química de materiales |
Abstracto:
Las notables conductividades de protones y iones de óxido (iones duales) del óxido relacionado con la perovskita hexagonal Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 son prometedoras para los dispositivos electroquímicos de próxima generación, según informaron científicos del Tokyo Tech. Se espera que los mecanismos únicos de transporte de iones que revelaron allanen el camino para mejores conductores de iones duales, que podrían desempeñar un papel esencial en las tecnologías de energía limpia del mañana.
Arrojando luz sobre mecanismos de conducción únicos en un nuevo tipo de óxido de perovskita
Tokio, Japón | Publicado el 17 de noviembre de 2023
Las tecnologías de energía limpia son la piedra angular de las sociedades sostenibles, y las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) y las pilas de combustible cerámicas de protones (PCFC) se encuentran entre los tipos de dispositivos electroquímicos más prometedores para la generación de energía verde. Sin embargo, estos dispositivos aún enfrentan desafíos que obstaculizan su desarrollo y adopción.
Idealmente, las SOFC deberían funcionar a bajas temperaturas para evitar reacciones químicas no deseadas que degraden sus materiales constituyentes. Desafortunadamente, la mayoría de los conductores de iones de óxido conocidos, un componente clave de las SOFC, solo exhiben una conductividad iónica decente a temperaturas elevadas. En cuanto a los PCFC, no sólo son químicamente inestables en atmósferas de dióxido de carbono, sino que también requieren pasos de procesamiento a alta temperatura y que consumen mucha energía durante su fabricación.
Afortunadamente, existe un tipo de material que puede resolver estos problemas combinando los beneficios de las SOFC y las PCFC: los conductores de iones duales. Al apoyar la difusión tanto de protones como de iones de óxido, los conductores de iones duales pueden lograr una alta conductividad total a temperaturas más bajas y mejorar el rendimiento de los dispositivos electroquímicos. Aunque se han informado algunos materiales conductores de iones duales relacionados con la perovskita, como Ba7Nb4MoO20, sus conductividades no son lo suficientemente altas para aplicaciones prácticas y sus mecanismos de conducción subyacentes no se comprenden bien.
En este contexto, un equipo de investigación dirigido por el profesor Masatomo Yashima del Instituto de Tecnología de Tokio, Japón, decidió investigar la conductividad de materiales similares al 7Nb4MoO20 pero con una fracción de Mo mayor (es decir, Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Su último estudio, realizado en colaboración con la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO), la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK) y la Universidad de Tohoku, se publicó en Chemistry of Materials.
Después de examinar varias composiciones de Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, el equipo descubrió que Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 tenía notables conductividades de protones y iones de óxido. “Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 exhibió conductividades aparentes de 11 mS/cm a 537 ℃ bajo aire húmedo y 10 mS/cm a 593 ℃ bajo aire seco. La conductividad total de corriente continua a 400 ℃ en aire húmedo de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 fue 13 veces mayor que la de Ba7Nb4MoO20, y la conductividad total en aire seco a 306 ℃ es 175 veces mayor que la del circonio estabilizado con itria convencional. (YSZ)”, destaca el profesor Yashima.
A continuación, los investigadores intentaron arrojar luz sobre los mecanismos subyacentes detrás de estos altos valores de conductividad. Para ello, realizaron simulaciones de dinámica molecular ab initio (AIMD), experimentos de difracción de neutrones y análisis de densidad de longitud de dispersión de neutrones. Estas técnicas les permitieron estudiar la estructura de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 con mayor detalle y determinar qué lo hace especial como conductor de iones duales.
Curiosamente, el equipo descubrió que la alta conductividad de iones óxido de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 se origina a partir de un fenómeno único (Figura). Resulta que los monómeros MO5 adyacentes en Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 pueden formar dímeros M2O9 al compartir un átomo de oxígeno en una de sus esquinas (M = Nb o catión Mo). La ruptura y reformado de estos dímeros da lugar a un movimiento ultrarrápido de iones de óxido de una manera análoga a una larga fila de personas que pasan cubos de agua (iones de óxido) de una persona a otra. Además, las simulaciones AIMD revelaron que la alta conducción de protones observada se debía a una migración eficiente de protones en las capas hexagonales de BaO3 compactas del material.
En conjunto, los resultados de este estudio resaltan el potencial de los conductores de iones duales relacionados con la perovskita y podrían servir como pautas para el diseño racional de estos materiales. "Los hallazgos actuales sobre altas conductividades y mecanismos únicos de migración de iones en Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 ayudarán al desarrollo de la ciencia y la ingeniería de conductores de iones de óxido, protones y iones duales", concluye un esperanzado profesor Yashima.
Esperamos que futuras investigaciones nos lleven a encontrar materiales conductores aún mejores para las tecnologías energéticas de próxima generación.
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