Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio y sus colaboradores han demostrado la unión excesiva de los oxígenos de los canales en los silicatos de lantano de tipo apatita ricos en La, en lugar de la presencia de oxígenos intersticiales, para ser responsable de la alta conductividad de iones de óxido. Este concepto de "alta conductividad de iones de óxido por sobreunión" abre la puerta para diseñar mejores conductores de iones, que podría ser útil en la conversión de energía y la protección del medio ambiente.

Los electrolitos de óxido sólido se han estudiado exhaustivamente debido a su amplia gama de aplicaciones en pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), membranas de oxígeno, catalizadores, y sensores de gas. Se requieren electrolitos con alta conductividad de iones de óxido a temperaturas por debajo de 600 grados C para disminuir la temperatura de operación de las SOFC. Profesor Susumu Nakayama del Instituto Nacional de Tecnología, Niihama College descubrió en 1995 la conductividad extremadamente alta de iones de óxido en el rango de temperatura intermedia por debajo de 600 ° C, lo que ha animado a muchos investigadores a estudiar el origen estructural de este fenómeno.

Se creía que la alta conductividad de iones de óxido de los materiales de tipo apatita se debe a los oxígenos intersticiales. Sin embargo, en este novedoso estudio, Profesor Masatomo Yashima, Dr. Kotaro Fujii en el Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), y sus colegas han demostrado que los materiales de tipo apatita contienen vacantes de Si, pero no intersticiales de oxígeno. Las vacantes de Si en los materiales fueron propuestas originalmente por el profesor Koichiro Fukuda en el Instituto de Tecnología de Nagoya.

Mediante estudios de difracción de neutrones monocristalinos utilizando el difractómetro SENJU instalado en MLF, Instalación J-PARC (Figura 1), pudieron determinar con precisión las estructuras cristalinas de los materiales de apatita La _9.333 Si ₆ O ₂₆ y La-rich La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ (□ denota vacante de Si) incluidos los factores de ocupación, parámetros de desplazamiento atómico, y distribuciones espaciales de átomos de oxígeno. También midieron la densidad y la conductividad de iones de óxido de los dos materiales. En este trabajo, La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ fue seleccionado debido a su alta conductividad de iones de óxido.

Mediante análisis de estructura utilizando los datos de difracción, los investigadores encontraron vacantes de Si, sin oxígenos intersticiales, y mayor desorden posicional del ion óxido en el O ₄ sitio en el canal de apatita en comparación con el material básico La _9.333 Si ₆ O ₂₆ (Figura 2). Se encontró que la menor energía de activación para la conducción de iones de óxido a lo largo del eje c era la razón principal de la conductividad de iones de óxido más alta de La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O26 en comparación con La _9.333 Si ₆ O ₂₆ . El exceso de La dio lugar a la unión excesiva de la O ₄ ion óxido en La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ en comparación con La _9.333 Si ₆ O ₂₆ , lo que condujo a una mayor movilidad y conductividad de iones de óxido de La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ con vacantes de Si (Figura 2). Las mediciones de densidad por el método de Arquímedes apoyaron la presencia de vacantes de Si en La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ .

Por lo tanto, los investigadores propusieron que el exceso de cationes La es responsable de los oxígenos de los canales superpuestos a lo largo del eje c, lo que conduce a un desplazamiento atómico altamente anisotrópico y una alta movilidad de oxígeno. Por tanto, este nuevo concepto de "alta conductividad de iones de óxido por sobreunión" puede ser útil para diseñar mejores conductores de iones.