Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
ANSTO ha contribuido a la investigación dirigida por la Universidad de Sydney, que implica dopaje de metales de transición en un polimorfo de óxido de bismuto en busca de una mayor estabilidad estructural.
Polimorfo cúbico de alta temperatura de óxido de bismuto, δ-Bi2O3, es el conductor iónico de óxido más conocido, pero su rango de estabilidad estrecho (729-817 ° C), que está cerca de su temperatura de fusión de 817 ° C excluye su uso práctico.
Una gran colaboración, dirigido por el profesor Chris Ling y la Dra. Julia Wind (como parte de su doctorado) de la Universidad de Sydney, con la participación de investigadores de ANSTO y otras dos universidades, ha logrado el diseño y la comprensión de la compleja estructura cristalina y la química detrás de una estructura acorde dentro del óxido de bismuto estabilizado de conducción de iones rápidos, codopado con cromo y niobio, Bi23CrNb3O45.
El estudio fue publicado en la Química de Materiales .
La Dra. Zhaoming Zhang de ANSTO (en la foto de abajo a la derecha) brindó al estudio su experiencia en espectroscopía de absorción de rayos X.
Los datos de absorción de rayos X de baja y alta energía cerca de la estructura del borde (XANES) se obtuvieron de las líneas de luz de rayos X suaves (SXR) y espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en el Sincrotrón de Australia, respectivamente. y datos XANES de energía media de la línea de luz 'Tender' en el Centro Nacional de Investigación de Radiación Sincrotrón (NSRRC) en Taiwán, que ayudó a aclarar los detalles de la compleja superestructura, junto con neutrones, difracción de electrones y rayos X de sincrotrón, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y cálculos ab initio.
"La espectroscopia es muy importante en este caso debido a la variedad de posibles estados de oxidación y estructuras locales para los dopantes de metales de transición, "dijo Zhang.
"Los espectros XANES no solo le brindan información sobre el estado de oxidación de los dopantes metálicos, sino también la coordinación local y la geometría del sitio a su alrededor, lo cual fue muy informativo para esta investigación ".
La modulación proporcional se confirmó mediante patrones de difracción de electrones de área seleccionada (SAED). Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
En un cristal "normal", el cristal se construye repitiendo la celda unitaria por traslación a lo largo de las 3 direcciones del espacio.
Para estructuras moduladas, la periodicidad está en más de tres dimensiones. Si la relación entre el período de modulación y la longitud de la celda unitaria es racional, entonces la modulación se llama 'acorde', de lo contrario, se vuelve "inconmensurable".
Debido a que el vector de modulación ε varió con el tipo de dopantes de metales de transición y la relación de bismuto a metal de transición, los investigadores tenían dos variables independientes para sintonizar químicamente la composición en busca de una estructura ε =1/3 acorde, que se encontró en Bi23CrNb3O45.
"La interpretación de los datos de la espectroscopía fue algo desafiante debido a la complejidad de la superestructura. Los resultados no solo confirmaron la presencia de cromo hexavalente y niobio pentavalente en Bi23CrNb3O45, pero también nos informó que cada niobio está rodeado por seis oxígenos y el cromo por cuatro oxígenos, "dijo Zhang.
En la superestructura, los oxígenos alrededor de los metales de transición se ordenan localmente formando grupos tetraédricos de octaedros de NbO6 y tetraedros de CrO4 aislados, separando regiones de tipo fluorita relativamente desordenadas que facilitan la alta conducción óxido-iónica. (Ver estructura cristalina arriba)
"Aunque el dopaje del óxido de bismuto con metales de tierras raras exhibe una conductividad más alta, los óxidos de bismuto dopados con metales de transición pueden ofrecer una mejor estabilidad a largo plazo, "dijo Zhang.
Si bien este fue un estudio fundamental, El óxido de bismuto tiene un interés considerable como material porque sus defectos móviles de oxígeno pueden actuar como portadores de carga en dispositivos iónicos. como las pilas de combustible de óxido sólido.
Un nuevo Se está planificando una línea de luz XAS de energía media en el Sincrotrón de Australia como parte de la iniciativa Br-GHT. "Una vez construido, ya no necesitaremos viajar a Taiwán para realizar experimentos XANES de energía media, "dijo Zhang.
