Nanotechnology Now - Communiqué de presse : Faire la lumière sur les mécanismes de conduction uniques dans un nouveau type d'oxyde de pérovskite

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$La figure du haut montre l'instantané de la migration des ions oxyde. Les ions oxydes rouges et verts se déplacent en brisant et en reformant les dimères M2O9, ce qui permet une diffusion rapide des ions oxydes où le cation M est Nb5+ ou Mo6+. La distribution de densité de longueur de diffusion des neutrons à partir des données de diffraction de neutrons à 800 ℃ dans la figure en bas à gauche est en accord avec la distribution de densité de probabilité moyenne dans le temps et dans l'espace des ions oxydes à partir de simulations de dynamique moléculaire ab initio dans la figure en bas à droite. L'atome interstitiel O5 dans la figure en bas à gauche correspond à l'atome d'oxygène partageant le coin (Osh dans la figure en bas à droite et carrés dans la figure du haut). CRÉDIT Chimie des Matériaux$

La figure du haut montre l'instantané de la migration des ions oxyde. Les ions oxydes rouges et verts se déplacent en brisant et en reformant les dimères M2O9, ce qui permet une diffusion rapide des ions oxydes où le cation M est Nb5+ ou Mo6+. La distribution de densité de longueur de diffusion des neutrons à partir des données de diffraction de neutrons à 800 ℃ dans la figure en bas à gauche est en accord avec la distribution de densité de probabilité moyenne dans le temps et dans l'espace des ions oxydes à partir de simulations de dynamique moléculaire ab initio dans la figure en bas à droite. L'atome interstitiel O5 dans la figure en bas à gauche correspond à l'atome d'oxygène partageant le coin (Osh dans la figure en bas à droite et carrés dans la figure du haut). CRÉDIT
Chimie des matériaux

Résumé:
Les remarquables conductivités protonique et oxyde-ion (double ion) de l'oxyde hexagonal Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 lié à la pérovskite sont prometteuses pour les dispositifs électrochimiques de nouvelle génération, comme l'ont rapporté les scientifiques de Tokyo Tech. Les mécanismes uniques de transport d'ions qu'ils ont dévoilés ouvriront, espérons-le, la voie à de meilleurs conducteurs à double ion, qui pourraient jouer un rôle essentiel dans les technologies d'énergie propre de demain.

Faire la lumière sur des mécanismes de conduction uniques dans un nouveau type d’oxyde de pérovskite

Tokyo, Japon | Publié le 17 novembre 2023

Les technologies d’énergie propre sont la pierre angulaire des sociétés durables, et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à proton-céramique (PCFC) comptent parmi les types de dispositifs électrochimiques les plus prometteurs pour la production d’énergie verte. Ces dispositifs restent cependant confrontés à des défis qui entravent leur développement et leur adoption.

Idéalement, les SOFC devraient fonctionner à basse température pour éviter que des réactions chimiques indésirables ne dégradent leurs matériaux constitutifs. Malheureusement, la plupart des conducteurs d'ions oxydes connus, un composant clé des SOFC, ne présentent une conductivité ionique décente qu'à des températures élevées. Quant aux PCFC, non seulement ils sont chimiquement instables sous une atmosphère de dioxyde de carbone, mais ils nécessitent également des étapes de traitement à haute température et à forte consommation d'énergie lors de leur fabrication.

Heureusement, il existe un type de matériau qui peut résoudre ces problèmes en combinant les avantages des SOFC et des PCFC : les conducteurs doubles ioniques. En favorisant la diffusion des protons et des ions oxydes, les conducteurs à deux ions peuvent atteindre une conductivité totale élevée à des températures plus basses et améliorer les performances des dispositifs électrochimiques. Bien que certains matériaux conducteurs à double ion liés aux pérovskites, tels que Ba7Nb4MoO20, aient été signalés, leurs conductivités ne sont pas suffisamment élevées pour des applications pratiques et leurs mécanismes conducteurs sous-jacents ne sont pas bien compris.

Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Masatomo Yashima de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a décidé d'étudier la conductivité de matériaux similaires au 7Nb4MoO20 mais avec une fraction de Mo plus élevée (c'est-à-dire Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Leur dernière étude, menée en collaboration avec l'Organisation australienne des sciences et technologies nucléaires (ANSTO), la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) et l'Université de Tohoku, a été publiée dans Chemistry of Materials.

Après avoir examiné diverses compositions Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, l’équipe a découvert que Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 avait des conductivités remarquables en protons et en ions oxydes. « Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 présentait des conductivités globales de 11 mS/cm à 537 ℃ sous air humide et de 10 mS/cm à 593 ℃ sous air sec. La conductivité totale du courant continu à 400 ℃ dans l'air humide du Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 était 13 fois supérieure à celle du Ba7Nb4MoO20, et la conductivité globale dans l'air sec à 306 ℃ est 175 fois supérieure à celle de la zircone conventionnelle stabilisée à l'yttrium. (YSZ) », souligne le professeur Yashima.

Les chercheurs ont ensuite cherché à faire la lumière sur les mécanismes sous-jacents à ces valeurs de conductivité élevées. À cette fin, ils ont mené des simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD), des expériences de diffraction des neutrons et des analyses de densité de longueur de diffusion des neutrons. Ces techniques leur ont permis d’étudier plus en détail la structure de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 et de déterminer ce qui le rend spécial en tant que conducteur double ionique.

Fait intéressant, l’équipe a découvert que la conductivité élevée des ions oxydes de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 provient d’un phénomène unique (Figure). Il s'avère que les monomères MO5 adjacents dans Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 peuvent former des dimères M2O9 en partageant un atome d'oxygène sur l'un de leurs coins (M = Nb ou cation Mo). La rupture et le reformage de ces dimères donnent lieu à un mouvement ultrarapide des ions oxydes, d'une manière analogue à une longue file de personnes relayant des seaux d'eau (ions oxydes) d'une personne à l'autre. De plus, les simulations AIMD ont révélé que la conduction protonique élevée observée était due à une migration efficace des protons dans les couches hexagonales serrées de BaO3 du matériau.

Pris ensemble, les résultats de cette étude mettent en évidence le potentiel des conducteurs à double ion liés à la pérovskite et pourraient servir de lignes directrices pour la conception rationnelle de ces matériaux. "Les découvertes actuelles de conductivités élevées et de mécanismes uniques de migration des ions dans Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 aideront au développement de la science et de l'ingénierie des conducteurs oxyde-ion, proton et double-ion", conclut le professeur Yashima, plein d'espoir.

Nous espérons que des recherches plus approfondies nous mèneront à des matériaux encore plus conducteurs pour les technologies énergétiques de nouvelle génération.

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