Stabila och högoxiderade jonledare baserade på en ny hexagonal perovskitrelaterad oxid har rapporterats av forskare vid Tokyo Tech, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd. och Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) i en nyligen genomförd studie. Dessa högpresterande oxidjonledare kan bana väg för utvecklingen av fasta elektrolyter för nästa generations batterier och enheter för ren energi som bränsleceller med fast oxid.

Den ständigt ökande efterfrågan på ren energi och högpresterande enheter i den moderna tekniska eran har krävt utvecklingen av alternativa energimaterial. Speciellt oxid-jonledare har fått mycket uppmärksamhet på denna front. Närvaron av mycket rörliga oxidjoner i deras kristallstruktur ger unika elektroniska egenskaper till dessa material med potentiella tillämpningar vid utformningen av fastoxidbränsleceller (SOFC), en lovande teknik för att generera ren energi.

För att utveckla effektiva SOFC:er krävs solida oxidjonledare med hög ledningsförmåga och kemisk och elektrisk stabilitet. Tyvärr visar konventionella oxidjonledare inte tillräcklig konduktivitet under 700 grader Celsius. Ett alternativt material med hög jonledningsförmåga vid lägre temperaturer (300 till 600 grader Celsius) är därför mycket eftertraktat.

Lyckligtvis kunde oxider av perovskittyp komma till undsättning. I synnerhet har hexagonala perovskitderivat sammansatta av barium (Ba), molybden (Mo) och niob (Nb)-oxider rapporterats uppvisa hög jonledningsförmåga. Vissa nackdelar kvarstår dock fortfarande:mängden syre i kristallstrukturens mellanrum, nödvändig för hög ledning, är fortfarande låg, elektronisk ledning konkurrerar med och hämmar jonledning i en reducerande atmosfär, och diffraktionstekniker kan inte kasta ljus på den underliggande syrgasmigreringsmekanismen.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Small , ett team av forskare under ledning av prof. Masatomo Yashima från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, tog upp dessa frågor. Teamet utvecklade en ny hexagonal perovskitrelaterad oxid, Ba₇ Ta_3.7 Mo_1.3 O_20.15 , som visade utmärkt jonledning vid mellanliggande och låga temperaturer. "Vi strävade efter att designa material som möjliggjorde införandet av ett stort antal interstitiellt syre i deras struktur och visade hög ledningsförmåga vid mellan- och låga temperaturer. Dessutom förblev jonledningen dominerande i en reducerande atmosfär", utvecklar Prof. Yashima. Denna studie kom från samarbetsforskning gjord av Tokyo Tech, Japan, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd., Japan, och Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), Australien.

Teamet genomförde sedan strukturella analyser av materialen med en kombination av synkrotronröntgen- och neutrondiffraktionsdata och numeriska beräkningar. De fann att införandet av tantal (Ta) i strukturen resulterade i förbättrad stabilitet och ett större antal interstitiell syre jämfört med de andra hexagonala perovskitrelaterade oxiderna. Dessutom visade analyserna och beräkningarna att Mo-jonerna företrädesvis upptog de syrefattiga skikten som är ansvariga för oxidjonsledningen.

Teamet är mycket nöjda med dessa fynd och Prof. Yashima är optimistisk om deras praktiska konsekvenser. "Resultaten som erhålls i vår studie kan ge en effektiv strategi för utveckling och kommersialisering av SOFC", förväntar han sig. + Utforska vidare

Nya material med hög syrejonkonduktivitet som öppnar för en hållbar framtid