Công nghệ nano hiện nay - Thông cáo báo chí: Làm sáng tỏ các cơ chế dẫn truyền độc đáo ở một loại oxit Perovskite mới

Trang Chủ > Ấn Bản > Làm sáng tỏ cơ chế dẫn truyền độc đáo trong loại oxit perovskite mới

Hình trên cùng hiển thị ảnh chụp nhanh về quá trình di chuyển oxit-ion. Các ion oxit màu đỏ và màu xanh lá cây di chuyển bằng cách phá vỡ và cải tổ các dimer M2O9, cho phép khuếch tán ion oxit nhanh trong đó cation M là Nb5+ hoặc Mo6+. Phân bố mật độ chiều dài tán xạ neutron từ dữ liệu nhiễu xạ neutron ở 800oC ở hình dưới cùng bên trái phù hợp với phân bố mật độ xác suất trung bình theo thời gian và không gian của các ion oxit từ mô phỏng động lực phân tử ab initio ở hình dưới cùng bên phải. Nguyên tử O5 xen kẽ ở hình dưới cùng bên trái tương ứng với nguyên tử oxy chia sẻ góc (Osh ở hình dưới cùng bên phải và các ô vuông ở hình trên cùng). TÍN DỤNG
Hóa học vật liệu

Tóm tắt:
Theo báo cáo của các nhà khoa học tại Tokyo Tech, độ dẫn proton và oxit-ion (ion kép) đáng chú ý của oxit liên quan đến perovskite lục giác Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 hứa hẹn cho các thiết bị điện hóa thế hệ tiếp theo. Cơ chế vận chuyển ion độc đáo mà họ công bố hy vọng sẽ mở đường cho các chất dẫn ion kép tốt hơn, có thể đóng vai trò thiết yếu trong các công nghệ năng lượng sạch của ngày mai.

Làm sáng tỏ các cơ chế dẫn truyền độc đáo trong một loại oxit perovskite mới

Tokyo, Nhật Bản | Đăng vào ngày 17 tháng 2023 năm XNUMX

Công nghệ năng lượng sạch là nền tảng của xã hội bền vững và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) là một trong những loại thiết bị điện hóa hứa hẹn nhất để sản xuất năng lượng xanh. Tuy nhiên, những thiết bị này vẫn phải đối mặt với những thách thức cản trở sự phát triển và áp dụng của chúng.

Lý tưởng nhất là SOFC nên được vận hành ở nhiệt độ thấp để ngăn chặn các phản ứng hóa học không mong muốn làm suy giảm vật liệu cấu thành của chúng. Thật không may, hầu hết các chất dẫn oxit-ion đã biết, thành phần chính của SOFC, chỉ thể hiện độ dẫn ion khá ở nhiệt độ cao. Đối với PCFC, chúng không chỉ không ổn định về mặt hóa học trong môi trường khí carbon dioxide mà còn yêu cầu các bước xử lý nhiệt độ cao, tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình sản xuất.

May mắn thay, có một loại vật liệu có thể giải quyết những vấn đề này bằng cách kết hợp các lợi ích của cả SOFC và PCFC: chất dẫn ion kép. Bằng cách hỗ trợ sự khuếch tán của cả proton và ion oxit, dây dẫn ion kép có thể đạt được độ dẫn tổng cao ở nhiệt độ thấp hơn và cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện hóa. Mặc dù một số vật liệu dẫn ion kép liên quan đến perovskite như Ba7Nb4MoO20 đã được báo cáo nhưng độ dẫn của chúng không đủ cao cho các ứng dụng thực tế và cơ chế dẫn điện cơ bản của chúng chưa được hiểu rõ.

Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Masatomo Yashima từ Viện Công nghệ Tokyo, Nhật Bản dẫn đầu, đã quyết định nghiên cứu tính dẫn điện của các vật liệu tương tự như 7Nb4MoO20 nhưng có tỷ lệ Mo cao hơn (nghĩa là Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) . Nghiên cứu mới nhất của họ, được thực hiện với sự cộng tác của Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO), Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao (KEK) và Đại học Tohoku, đã được xuất bản trên tạp chí Hóa học Vật liệu.

Sau khi sàng lọc các chế phẩm Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2 khác nhau, nhóm nghiên cứu nhận thấy Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 có độ dẫn proton và oxit-ion đáng chú ý. “Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 thể hiện độ dẫn lớn là 11 mS/cm ở 537 oC trong không khí ẩm và 10 mS/cm ở 593 oC trong không khí khô. Tổng độ dẫn dòng điện một chiều ở 400oC trong không khí ẩm của Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 cao hơn 13 lần so với Ba7Nb4MoO20 và độ dẫn điện khối trong không khí khô ở 306oC cao hơn 175 lần so với zirconia ổn định yttria thông thường (YSZ),” Giáo sư Yashima nhấn mạnh.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu tìm cách làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản đằng sau các giá trị độ dẫn điện cao này. Để đạt được mục tiêu này, họ đã tiến hành mô phỏng động lực phân tử ban đầu (AIMD), thí nghiệm nhiễu xạ neutron và phân tích mật độ chiều dài tán xạ neutron. Những kỹ thuật này cho phép họ nghiên cứu cấu trúc của Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 chi tiết hơn và xác định điều gì khiến nó trở thành chất dẫn ion kép đặc biệt.

Điều thú vị là nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng độ dẫn oxit-ion cao của Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 bắt nguồn từ một hiện tượng độc đáo (Hình). Hóa ra là các monome MO5 liền kề trong Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 có thể tạo thành các dimer M2O9 bằng cách chia sẻ một nguyên tử oxy ở một trong các góc của chúng (M = Nb hoặc cation Mo). Việc phá vỡ và cải tổ các bộ điều chỉnh độ sáng này làm phát sinh chuyển động oxit-ion cực nhanh theo cách tương tự như một hàng dài người chuyển xô nước (ion oxit) từ người này sang người khác. Hơn nữa, các mô phỏng AIMD cho thấy rằng độ dẫn proton cao quan sát được là do sự di chuyển proton hiệu quả trong các lớp BaO3 xếp chặt hình lục giác trong vật liệu.

Tổng hợp lại, các kết quả của nghiên cứu này nêu bật tiềm năng của các chất dẫn ion kép liên quan đến perovskite và có thể đóng vai trò là kim chỉ nam cho việc thiết kế hợp lý các vật liệu này. Giáo sư Yashima đầy hy vọng kết luận: “Những phát hiện hiện nay về độ dẫn điện cao và cơ chế di chuyển ion độc đáo trong Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 sẽ giúp phát triển khoa học và kỹ thuật của các chất dẫn oxit-ion, proton và ion kép”.

Chúng tôi hy vọng những nghiên cứu sâu hơn sẽ giúp chúng tôi tạo ra những vật liệu dẫn điện tốt hơn nữa cho các công nghệ năng lượng thế hệ tiếp theo.

####

Giới thiệu về Viện Công nghệ Tokyo
Tokyo Tech luôn đi đầu trong nghiên cứu và giáo dục đại học với tư cách là trường đại học hàng đầu
cho khoa học và công nghệ Nhật Bản. Các nhà nghiên cứu của Tokyo Tech xuất sắc trong các lĩnh vực từ
khoa học vật liệu đến sinh học, khoa học máy tính và vật lý. Được thành lập vào năm 1881, Tokyo Tech
có hơn 10,000 sinh viên đại học và sau đại học mỗi năm, những người phát triển thành các lĩnh vực khoa học
các nhà lãnh đạo và một số kỹ sư được săn đón nhiều nhất trong ngành. Hiện thân của người Nhật
triết lý “monotsukuri”, nghĩa là “sự khéo léo và đổi mới kỹ thuật”, Tokyo Tech
cộng đồng cố gắng đóng góp cho xã hội thông qua nghiên cứu có tác động cao.
https://www.titech.ac.jp/english/

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Emiko Kawaguchi
Viện Công nghệ Tokyo
Văn phòng: + 81-3-5734-2975

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: