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Il materiale è in realtà un “conduttore a doppio ione”, che consente sia ai protoni che agli ioni di ossido di disinnescarsi e può “realizzare un’elevata conduttività totale a temperature più basse e migliorare le prestazioni dei dispositivi elettrochimici”, secondo TItech.
Materiali conduttori a doppio ione come Ba7N.B4Muggire20 sono noti ma “la loro conduttività non è sufficientemente elevata per applicazioni pratiche”, ha affermato l’Istituto, aggiungendo: “E i loro meccanismi di conduzione sottostanti non sono ben compresi”.
Il gruppo di ricerca ha deciso di rifarsi a quel particolare materiale noto, aggiustando la frazione di molibdeno con composizioni seguendo la formula Ba7N.B4-xMo1+xO20+x/2.
Uno di questi eccelleva sia nella conduzione dei protoni che degli ioni ossido.
“Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 hanno mostrato una conduttività complessiva di 11 mS/cm a 537°C in aria umida e di 10 mS/cm a 593°C in aria secca”, ha affermato il capo della ricerca, il professor Masatomo Yashima. “La conduttività totale della corrente continua a 400°C in aria umida era 13 volte superiore a quella di Ba7N.B4Muggire20e la conduttività complessiva nell’aria secca a 306°C è 175 volte superiore rispetto alla tradizionale zirconia stabilizzata con ittrio.
Per scoprire perché ha funzionato così bene, TItech ha collaborato con l’Australian Centre for Neutron Scattering, l’Università di Sydney, la KEK (l’organizzazione giapponese per la ricerca sugli acceleratori ad alta energia), l’Università di Tohoku e la Japan Science and Technology Agency.
Questo formidabile team si è imbarcato in simulazioni di dinamica molecolare, analisi di diffrazione di neutroni e analisi di densità della lunghezza di diffusione dei neutroni per scoprire un esotico gioco di passaggio del pacco.
Hanno scoperto che l’adiacente MO5 i monomeri (dove M è un catione Nb o Mo) nel nuovo materiale possono formare M2O9 dimeri condividendo un atomo di ossigeno su uno dei loro angoli (diagramma a sinistra, M = Nb5+ o Mo6+).
“La rottura e il riformamento di questi dimeri dà origine a un movimento ultraveloce degli ioni ossido in modo analogo a una lunga fila di persone che trasmettono secchi d’acqua da una persona all’altra”, ha affermato TItech. “Inoltre, le simulazioni hanno rivelato che l’elevata conduzione protonica osservata era dovuta all’efficiente migrazione dei protoni nel BaO compatto esagonale3 strati del materiale.”
“Le attuali scoperte sull’elevata conduttività e sui meccanismi unici di migrazione ionica aiuteranno lo sviluppo della scienza e dell’ingegneria dei conduttori di ioni ossido, protoni e doppi ioni”, ha concluso Yashima.
Il lavoro è descritto nel “Meccanismo cooperativo mediato da dimeri di conduzione di ioni ultraveloci in ossidi correlati alla perovskite esagonale” nella rivista Chemistry of Materials, e può essere visionato gratuitamente.
Figura in alto (ripetuto a destra) La distribuzione della densità della lunghezza di diffusione dei neutroni dai dati di diffrazione dei neutroni a 800°C (lato sinistro) concorda con la distribuzione della densità di probabilità mediata nel tempo e nello spazio degli ioni ossido dalle simulazioni di dinamica molecolare ab initio (lato destro).
Frecce rosse: L’atomo interstiziale “O5” (a sinistra) corrisponde all’atomo di ossigeno “Osh” che condivide gli angoli (Giusto) figura – e i quadrati rossi o verdi nella figura a metà articolo).
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