Las notables conductividades de protones y iones de óxido (iones duales) del óxido Ba7 relacionado con la perovskita hexagonal Nota3.8 Mes1.2 O20.1 son prometedores para dispositivos electroquímicos de próxima generación, según informaron científicos de 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.
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 que reacciones químicas no deseadas 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 algunos materiales conductores de iones duales relacionados con la perovskita, como el Ba7 Nb4 MoO20 Según se ha informado, 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 a 7 Nb4 MoO20 pero con una fracción de Mo mayor (es decir, Ba7 Nb4-x Mes1+x O20+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 varios Ba7 Nb4-x Mes1+x O20+x/2 composiciones, el equipo descubrió que Ba7 Nota3,8 Mes1.2 O20.1 Tenía notables conductividades de protones y iones de óxido.
"Ba7 Nota3,8 Mes1.2 O20.1 exhibió conductividades aparentes de 11 mS/cm a 537°C bajo aire húmedo y 10 mS/cm a 593°C bajo aire seco. Conductividad total de corriente continua a 400°C en aire húmedo de Ba7 Nota3.8 Mes1.2 O20.1 fue 13 veces mayor que el de Ba7 Nb4 MoO20 , y la conductividad total en aire seco a 306°C es 175 veces mayor que la del circonio estabilizado con itria (YSZ) convencional", dice 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 Ba7 Nota3.8 Mes1.2 O20.1 con mayor detalle y determine qué lo hace especial como conductor de iones dual.
Curiosamente, el equipo descubrió que la alta conductividad de iones óxido del Ba7 Nota3.8 Mes1.2 O20.1 surge de un fenómeno único. Resulta que el MO5 adyacente monómeros en Ba7 Nota3,8 Mes1.2 O20.1 puede formar M2 O9 dímeros 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 el BaO3 hexagonal y compacto. capas en el 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 Ba7 Nota3.8 Mes1.2 O20.1 ayudará al desarrollo de la ciencia y la ingeniería de conductores de iones de óxido, protones y de iones duales", afirma el profesor Yashima.
Más información: Yuichi Sakuda et al, Mecanismo cooperativo de conducción de iones ultrarrápidos mediado por dímeros en óxidos relacionados con perovskita hexagonal, Química de materiales (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02378
Información de la revista: Química de los Materiales
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
