Làm sáng tỏ các cơ chế dẫn truyền độc đáo trong một loại oxit perovskite mới
bởi Viện Công nghệ Tokyo
Nhà cung cấp: Hóa học Vật liệu (2023). DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02378
Theo báo cáo của các nhà khoa học tại Tokyo Tech, độ dẫn proton và oxit-ion (ion kép) đáng chú ý của oxit liên quan đến perovskite lục giác Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 hứa hẹn cho các thiết bị điện hóa thế hệ tiếp theo. Cơ chế vận chuyển ion độc đáo mà họ công bố hy vọng sẽ mở đường cho các chất dẫn ion kép tốt hơn, có thể đóng vai trò thiết yếu trong các công nghệ năng lượng sạch của ngày mai.
Công nghệ năng lượng sạch là nền tảng của xã hội bền vững và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) là một trong những loại thiết bị điện hóa hứa hẹn nhất để sản xuất năng lượng xanh. Tuy nhiên, những thiết bị này vẫn phải đối mặt với những thách thức cản trở sự phát triển và áp dụng của chúng.
Lý tưởng nhất là SOFC nên được vận hành ở nhiệt độ thấp để ngăn chặn các phản ứng hóa học không mong muốn làm suy giảm vật liệu cấu thành của chúng. Thật không may, hầu hết các chất dẫn oxit-ion đã biết, thành phần chính của SOFC, chỉ thể hiện độ dẫn ion khá ở nhiệt độ cao.
Đối với PCFC, chúng không chỉ không ổn định về mặt hóa học trong môi trường khí carbon dioxide mà còn yêu cầu các bước xử lý nhiệt độ cao, tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình sản xuất.
May mắn thay, có một loại vật liệu có thể giải quyết những vấn đề này bằng cách kết hợp các lợi ích của cả SOFC và PCFC: chất dẫn ion kép.
Bằng cách hỗ trợ sự khuếch tán của cả proton và ion oxit, dây dẫn ion kép có thể đạt được độ dẫn tổng cao ở nhiệt độ thấp hơn và cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện hóa. Mặc dù một số vật liệu dẫn ion kép liên quan đến perovskite như Ba7Nb4MoO20 đã được báo cáo nhưng độ dẫn điện của chúng không đủ cao cho các ứng dụng thực tế và cơ chế dẫn điện cơ bản của chúng chưa được hiểu rõ.
Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Masatomo Yashima từ Viện Công nghệ Tokyo, Nhật Bản dẫn đầu, đã quyết định nghiên cứu tính dẫn điện của các vật liệu tương tự như 7Nb4MoO20 nhưng có tỷ lệ Mo cao hơn (tức là Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2) .
Nghiên cứu mới nhất của họ được thực hiện với sự cộng tác của Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO), Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao (KEK) và Đại học Tohoku, đã được xuất bản trên tạp chí Hóa học Vật liệu.
Sau khi sàng lọc nhiều chế phẩm Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 có độ dẫn proton và oxit-ion vượt trội.
"Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 có độ dẫn điện lớn là 11 mS/cm ở 537°C trong không khí ẩm ướt và 10 mS/cm ở 593°C trong không khí khô. Tổng độ dẫn điện một chiều ở 400°C trong không khí ẩm ướt của Ba7Nb3. 8Mo1.2O20.1 cao hơn 13 lần so với Ba7Nb4MoO20 và độ dẫn khối trong không khí khô ở 306°C cao hơn 175 lần so với zirconia ổn định yttria thông thường (YSZ)", Giáo sư Yashima cho biết.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu tìm cách làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản đằng sau các giá trị độ dẫn điện cao này. Để đạt được mục tiêu này, họ đã tiến hành các mô phỏng ban đầu về động lực học phân tử (AIMD), các thí nghiệm nhiễu xạ neutron và phân tích mật độ chiều dài tán xạ neutron. Những kỹ thuật này cho phép họ nghiên cứu cấu trúc của Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 chi tiết hơn và xác định điều gì khiến nó trở thành chất dẫn ion kép đặc biệt.
Điều thú vị là nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng độ dẫn oxit-ion cao của Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 bắt nguồn từ một hiện tượng độc đáo. Hóa ra là các monome MO5 liền kề trong Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 có thể tạo thành các dimer M2O9 bằng cách chia sẻ một nguyên tử oxy ở một trong các góc của chúng (M = Nb hoặc cation Mo).
Việc phá vỡ và cải tổ các bộ điều chỉnh độ sáng này làm phát sinh chuyển động oxit-ion cực nhanh theo cách tương tự như một hàng dài người chuyển xô nước (ion oxit) từ người này sang người khác. Hơn nữa, mô phỏng AIMD cho thấy rằng mức độ dẫn proton cao quan sát được là do sự di chuyển proton hiệu quả trong các lớp BaO3 hình lục giác đóng kín trong vật liệu.
Tổng hợp lại, các kết quả của nghiên cứu này nêu bật tiềm năng của các chất dẫn ion kép liên quan đến perovskite và có thể đóng vai trò là kim chỉ nam cho việc thiết kế hợp lý các vật liệu này.
Giáo sư Yashima cho biết: “Những phát hiện hiện nay về độ dẫn điện cao và cơ chế di chuyển ion độc đáo ở Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 sẽ giúp phát triển khoa học và kỹ thuật về các chất dẫn oxit-ion, proton và ion kép”.
