Forskare vid Tokyo Institute of Technology och samarbetspartners har visat överbindning av kanaloxygener i Lantan-silikater av la-rik apatit-typ, snarare än närvaron av de interstitiella oxigenerna, att ansvara för den höga oxid-jon konduktiviteten. Detta koncept om "hög oxid-jon konduktivitet genom överbinding" öppnar dörren för att designa bättre jonledare, vilket kan vara användbart vid energiomvandling och miljöskydd.

Fastoxidelektrolyter har studerats utförligt på grund av deras stora användningsområde i fastoxidbränsleceller (SOFC), syremembran, katalysatorer, och gassensorer. Elektrolyter med hög oxid-konduktivitet vid temperaturer under 600 grader C krävs för att minska driftstemperaturen för SOFC. Professor Susumu Nakayama vid National Institute of Technology, Niihama College upptäckte 1995 den extremt höga oxid-jonledningsförmågan i det mellanliggande temperaturområdet under 600 ° C, vilket har uppmuntrat många forskare att studera det fenomenets strukturella ursprung.

Man trodde att den höga oxid-jonledningsförmågan hos material av apatit-typ beror på interstitiella oxigener. Dock, i denna nya studie, Professor Masatomo Yashima, Dr Kotaro Fujii vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), och deras kollegor har visat att apatit-material innehåller Si-lediga tjänster, men inte syreinterstitialer. Si -vakanserna i materialen har ursprungligen föreslagits av professor Koichiro Fukuda vid Nagoya Institute of Technology.

Genom enkristalliga neutrondiffraktionsstudier med SENJU-diffraktometern installerad vid MLF, J-PARC-anläggning (figur 1), de kunde exakt bestämma kristallstrukturerna i apatitmaterialen La _9.333 Si ₆ O ₂₆ och La-rich La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} )O ₂₆ (□ betecknar Si vakans) inklusive beläggningsfaktorer, atomförskjutningsparametrar, och rumsliga fördelningar av syreatomer. De mätte också densiteten och oxid-konduktiviteten hos de två materialen. I det här arbetet, La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} )O ₂₆ valdes på grund av dess höga oxid-jon konduktivitet.

Genom strukturanalyser med diffraktionsdata, forskarna hittade Si lediga platser, inga interstitiella oxygener, och större positionsstörning av oxidjonen vid O ₄ plats i apatitkanalen jämfört med grundmaterialet La _9.333 Si ₆ O ₂₆ (Figur 2). Den lägre aktiveringsenergin för oxid-jonledningen längs c-axeln befanns vara huvudorsaken till den högre oxid-jonledningsförmågan hos La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O26 jämfört med La _9.333 Si ₆ O ₂₆ . Överskottet La gav överbindningen av O ₄ oxidjon i La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} )O ₂₆ jämfört med La _9.333 Si ₆ O ₂₆ , vilket ledde till högre oxid-jon-rörlighet och konduktivitet hos La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} )O ₂₆ med Si vakanser (figur 2). Densitetsmätningar med Archimedes -metoden stödde förekomsten av Si -lediga platser i La _9,565 (Si _{5,826 □ 0,174} )O ₂₆ .

Således, forskarna föreslog att överflödiga katjoner är ansvariga för överbundna kanaloxygener längs c -axeln, vilket leder till mycket anisotrop atomförskjutning och hög syrlighet. Därför kan detta nya koncept om "hög oxid-jon konduktivitet genom överbindning" vara användbart för att utforma bättre jonledare.