Journal of Alloys and Compounds har publicerat en artikel medförfattare av Institute of Solid State Chemistry and Mechanokemi (Ryska vetenskapsakademins Ural-gren), Donostia International Physics Centre, och HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics om egenskaperna hos kubiska dubbla perovskitoxider. Hittills, experimentella mätningar av mineralens egenskaper har inte motsvarat resultaten av teoretisk modellering. Arbetet är första gången som forskare har satt sig i uppgift att förklara denna skillnad. De erhållna uppgifterna kommer att göra det möjligt för forskare att förbättra lågtemperaturbränslecellsteknologier - ett av de viktigaste alternativen till nuvarande elkällor.
Det finns ett växande stöd bland forskare för att använda bränsleceller istället för mer allmänt kända galvaniska batterier. Typiska batterier innehåller begränsade mängder ämnen som används för att generera elektricitet – när batteriet tar slut på bränsle, det slutar fungera. I bränsleceller, vätebränsle blandas med syre för att generera elektricitet, värme, och vatten, med bränslet som matas utifrån och syre tas från luften. Det betyder att sådana batterier kan fungera så länge de har en stabil strömförsörjning. Den enda biprodukten av processen är vatten, vilket gör cellerna till ett miljövänligt alternativ till mangan- eller zinkbaserade batterier, som måste kasseras i slutet av deras liv.
Solid oxide fuel cells (SOFC) är en allt mer lovande teknik. Cellerna använder ett keramiskt material (som zirkoniumdioxid) som en elektrolyt - ett medium mellan positivt och negativt laddade elektroder. Fördelarna med bränsleceller med fast oxid inkluderar hög effektivitet, pålitlighet, förmågan att drivas av olika typer av bränsle, och en relativt låg kostnad.
Dessutom, till skillnad från andra typer av bränsleceller, SOFC behöver inte nödvändigtvis vara platta med en elektrolyt mellan elektroderna. De kan ta olika former, såsom rör genom vilka luft eller bränsle strömmar genom insidan, med en annan gas som strömmar längs utsidan.
Bränsleceller med fast oxid har också en stor nackdel:De kräver höga temperaturer (cirka 500–1000°C) för att upprätthålla de nödvändiga kemiska reaktionerna. Dyra platinakatalysatorer krävs för att använda SOFC vid lägre temperaturer, vilket ökar kostnaderna för bränsleceller oerhört.
Av denna anledning, många forskare har letat efter sätt att sänka driftstemperaturen för bränsleceller med fast oxid utan att kompromissa med effektiviteten i deras elproduktion. Forskningsområden inom området inkluderar att söka efter högaktiva katalysatorer för de nödvändiga reaktionerna, utveckling av tekniker för att syntetisera SOFC-komponenter, och skapandet av effektiva material för elektroder.
Forskare har föreslagit att använda perovskitliknande mineraler som elektrolyter med de egenskaper som krävs för industriell tillämpning. Perovskiter är en klass av mineraler som består av två negativt laddade joner och en positivt laddad jon ansluten till varandra. Författarna föreslog att man skulle använda komplex oxid av molybdater med den dubbla perovskitstrukturen A 2 MeMoO 6 , där A representerar kalcium, strontium, eller barium, och Me representerar 3d-metaller eller magnesium.
Kompositioner där A =strontium och Me =magnesium eller nickel har identifierats som de mest lovande. Dessa oxider uppvisar god elektrisk ledningsförmåga under reducerande förhållanden, samt en tolerans mot svavel- och koloxidföroreningar i bränslegas.
Trots deras tilltal ur praktisk synvinkel, egenskaperna hos dubbla perovskitliknande molybdenoxider såsom Sr 2 Mg 1−x Ni x Mu 6 är inte helt förstådda. Experimentella mätningar av ämnenas egenskaper skiljer sig från teoretiska förutsägelser härledda från beräkningsmodellering, som i sig är mycket beroende av initiala antaganden och mjukvarukoden som används.
Författarna till artikeln har gjort det första försöket att kombinera datormodellering av ämnets elektroniska spektrum med experimentella data om hur Sr 2 Mg 1-x Ni x Mu 6 leder elektrisk ström. Resultaten stöder den halvledande karaktären hos Sr 2 Mg 1-x NixMoO 6 ledningsförmåga. Som i metaller, rörelsen av laddade partiklar i halvledare genererar en elektrisk ström. Dock, i metaller, närvaron av fria elektroner beror på ämnets struktur och elektronbindningarna i atomer, medan närvaron av laddningsbärare i halvledare bestäms av många faktorer, de viktigaste är renheten och temperaturen hos halvledaren.
Forskarna är överens om att halvledare effektivt kan användas som elektrolyter i bränsleceller tack vare deras goda elektrokemiska egenskaper och höga jonledningsförmåga. De tror att ytterligare studier av dubbla perovskitliknande oxider kommer att erbjuda nya möjligheter att använda detta lovande material i olika energitekniker.
