Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Imperial and High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) Institutet för materialstrukturvetenskap, upptäck nya Ba ₇ Nb ₄ Mu ₂₀ -baserade material med hög syrejon (oxid-jon O ^2- ) konduktiviteter-"de sexkantiga perovskitrelaterade oxiderna"-och belysa de bakomliggande mekanismerna som är ansvariga för deras konduktivitet. Deras fynd leder vägen till att avslöja andra liknande material, vidare forskning om utveckling av billiga och skalbara tekniker för förnybar energi.

Under de senaste åren, Bränsleceller har blivit en samlingspunkt för forskning inom miljövänlig teknik på grund av deras överlägsna förmåga att lagra och producera förnybar energi och rent bränsle. En typisk typ av bränslecell som vinner mark är den oxid-jon-ledande bränslecellen, som huvudsakligen är gjord av material genom vilka oxidjoner (syrejoner:O ^2- ), kan enkelt röra sig. Nya material med högre ledningsförmåga vid låga och medelhöga temperaturer, ger ett antal fördelar jämfört med vanliga bränsleceller baserade på yttria-stabiliserade zirkoniumoxid (YSZ) elektrolyter, till exempel högre effektgenereringseffektivitet, längre livslängder, och lägre kostnader.

Dock, endast ett begränsat antal sådana material är kända och deras tillämpning på utveckling av bränsleceller har i stort sett legat kvar i laboratorieskala. För att verkligen uppnå en hållbar energiekonomi, nya oxid-jonledare med hög konduktivitet måste upptäckas som kan möjliggöra låg kostnad och effektiv uppskalning av dessa tekniker.

Forskare från Tokyo Tech, Imperial och KEK satte sig för att möta detta behov, och i en ny studie, identifierat ett nytt oxid-jon-ledande material som kan vara en representant för en hel familj av oxid-jon-ledare.

Materialet i fråga har den kemiska formeln Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 och klassificeras som en "hexagonal perovskit-relaterad oxid." Prof Masatomo Yashima, som ledde studien, förklarar:"Ba ₇ Obs _3.9 Mo _1.1 O _20.05 visar ett brett stabilitetsintervall och övervägande oxid-jonledning i syrepartialtrycksområdet från 2x10 ^-26 till 1 atm. Förvånande, bulkledningsförmåga hos Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 , 5,8 × 10 ^-4 S/cm, är anmärkningsvärt hög vid 310 ° C, och högre än vismutoxid- och zirkoniumbaserade material. Prof Stephen Skinner kommenterar att den snabba oxid -jontransporten otvetydigt bekräftades med hjälp av ¹⁸ O spårdiffusionsteknik vid Imperial.

Prof Yashima och hans team noterar att Ba -kristallstrukturen ₇ Obs _3.9 Mo _1.1 O _20.05 innehåller syrefattiga lager, och att dess höga oxidjonledningsförmåga kan tillskrivas oxidjonmigreringen på c'-skikten. Faktiskt, de lyckas med experimentell visualisering av O1-O ₅ oxid-jondiffusionsvägar genom neutron-diffraktionsmätningarna vid en hög temperatur 800 oC med SuperHRPD-diffraktometer från Prof Takashi Kamiyamas grupp vid KEK/J-PARC. Prof Yashima säger att oxidjonerna migrerar via interstitiell diffusionsmekanism genom interstitiell oktaedrisk O5 och gitter tetraedriska O1 syreställen och att de (tetraedriska)-(oktaedriska) diffusionsvägarna på c'-skiktet i Ba ₇ Obs _3.9 Mo _1.1 O _20.05 är samma som i en annan sexkantig perovskitrelaterad oxid Ba ₃ MoNbO _8,5-δ . Därför, Prof Yashima och hans team hävdar att "Den gemensamma egenskapen för diffusionsmekanismen skulle vara en vägledning för design av oxidjonledare med de hexagonala perovskitrelaterade strukturerna och att den nuvarande upptäckten av höga oxidjonkonduktiviteter i sällsynta jordartsmetallfria Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 antyder förmågan hos olika hexagonala perovskitrelaterade oxider som överlägsna oxidjonledare."