Le notevoli conduttività di protoni e ioni ossido (doppio ione) dell’ossido esagonale Ba correlato alla perovskite7N.B3.8Mo1.2O20.1 sono promettenti per i dispositivi elettrochimici di prossima generazione, come riportato dagli scienziati della Tokyo Tech. Si spera che gli esclusivi meccanismi di trasporto ionico da loro svelati apriranno la strada a migliori conduttori a doppio ione, che potrebbero svolgere un ruolo essenziale nelle tecnologie energetiche pulite di domani.
Le tecnologie energetiche pulite sono la pietra angolare delle società sostenibili e le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) e le celle a combustibile protoniche ceramiche (PCFC) sono tra i tipi più promettenti di dispositivi elettrochimici per la generazione di energia verde. Questi dispositivi, tuttavia, devono ancora affrontare sfide che ne ostacolano lo sviluppo e l’adozione.
Idealmente, le SOFC dovrebbero essere utilizzate a basse temperature per evitare che reazioni chimiche indesiderate degradino i materiali che le costituiscono. Sfortunatamente, la maggior parte dei conduttori di ioni ossido, un componente chiave delle SOFC, mostrano una discreta conduttività ionica solo a temperature elevate. Per quanto riguarda i PCFC, non solo sono chimicamente instabili in atmosfere di anidride carbonica, ma richiedono anche fasi di lavorazione ad alta temperatura e ad alta intensità energetica durante la produzione.
Fortunatamente, esiste un tipo di materiale in grado di risolvere questi problemi combinando i vantaggi sia delle SOFC che dei PCFC: i conduttori a doppio ione. Supportando la diffusione sia dei protoni che degli ioni ossido, i conduttori a doppio ione possono realizzare un’elevata conduttività totale a temperature più basse e migliorare le prestazioni dei dispositivi elettrochimici. Sebbene alcuni materiali conduttori a doppio ione legati alla perovskite come Ba7N.B4Muggire20 sono stati segnalati, la loro conduttività non è sufficientemente elevata per applicazioni pratiche e i meccanismi di conduzione sottostanti non sono ben compresi.
In questo contesto, un gruppo di ricerca guidato dal professor Masatomo Yashima del Tokyo Institute of Technology, in Giappone, ha deciso di studiare la conduttività di materiali simili a 7N.B4Muggire20 ma con una frazione di Mo più alta (cioè Ba7N.B4-xMo1+xO20+x/2). Il loro ultimo studio, condotto in collaborazione con l’Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), l’High Energy Accelerator Research Organization (KEK) e l’Università di Tohoku, è stato pubblicato su Chimica dei materiali.
Dopo aver proiettato vari Ba7N.B4-xMo1+xO20+x/2 composizioni, il team ha scoperto che Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 avevano notevoli conduttività dei protoni e degli ioni ossido. “Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 ha mostrato conduttività di massa di 11 mS/cm a 537 ℃ sotto aria umida e 10 mS/cm a 593 ℃ sotto aria secca. Conduttività totale della corrente continua a 400 ℃ in aria umida di Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 era 13 volte superiore a quello di Ba7N.B4Muggire20e la conduttività complessiva nell’aria secca a 306 ℃ è 175 volte superiore a quella della convenzionale zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ)”, sottolinea il prof. Yashima.
Successivamente, i ricercatori hanno cercato di far luce sui meccanismi alla base di questi valori elevati di conduttività. A tal fine, hanno condotto simulazioni ab initio di dinamica molecolare (AIMD), esperimenti di diffrazione di neutroni e analisi della densità della lunghezza di diffusione dei neutroni. Queste tecniche hanno permesso loro di studiare la struttura del Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 in maggior dettaglio e determinare cosa lo rende speciale come conduttore a doppio ione.
È interessante notare che il team ha scoperto che l’elevata conduttività degli ioni ossido di Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 ha origine da un fenomeno unico. Si scopre che è adiacente MO5 monomeri in Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 può formarsi M2O9 dimeri condividendo un atomo di ossigeno su uno dei loro angoli (M = Nb o Mo catione). La rottura e la riforma 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 (ioni ossido) da una persona all’altra. Inoltre, le simulazioni AIMD hanno rivelato che l’elevata conduzione protonica osservata era dovuta all’efficiente migrazione dei protoni nel BaO esagonale compatto3 strati nel materiale.
Nel loro insieme, i risultati di questo studio evidenziano il potenziale dei conduttori a doppio ione legati alla perovskite e potrebbero servire da linee guida per la progettazione razionale di questi materiali. “Le attuali scoperte di alta conduttività e meccanismi unici di migrazione ionica nel Ba7N.B3.8Mo1.2O20.1 aiuterà lo sviluppo della scienza e dell’ingegneria dei conduttori a ioni di ossido, protoni e ioni doppi”, conclude un speranzoso prof. Yashima.
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