Les conductivités remarquables des protons et des ions oxydes (ions doubles) de l'oxyde Ba7 associé à la pérovskite hexagonale Nb3.8 Mo1.2 O20.1 sont prometteurs pour les dispositifs électrochimiques de nouvelle génération, comme le rapportent les scientifiques de Tokyo Tech. Nous espérons que les mécanismes uniques de transport d'ions qu'ils ont dévoilés ouvriront la voie à de meilleurs conducteurs à double ion, qui pourraient jouer un rôle essentiel dans les technologies d'énergie propre de demain.
Les technologies d’énergie propre sont la pierre angulaire des sociétés durables, et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à proton-céramique (PCFC) comptent parmi les types de dispositifs électrochimiques les plus prometteurs pour la production d’énergie verte. Ces appareils restent cependant confrontés à des défis qui entravent leur développement et leur adoption.
Idéalement, les SOFC devraient fonctionner à basse température pour éviter que des réactions chimiques indésirables ne dégradent leurs matériaux constitutifs. Malheureusement, la plupart des conducteurs d'ions oxydes connus, un composant clé des SOFC, ne présentent une conductivité ionique décente qu'à des températures élevées.
Quant aux PCFC, non seulement ils sont chimiquement instables dans des atmosphères de dioxyde de carbone, mais ils nécessitent également des étapes de traitement à haute température et à forte consommation d'énergie pendant leur fabrication.
Heureusement, il existe un type de matériau qui peut résoudre ces problèmes en combinant les avantages des SOFC et des PCFC :les conducteurs doubles ioniques.
En favorisant la diffusion des protons et des ions oxydes, les conducteurs à deux ions peuvent atteindre une conductivité totale élevée à des températures plus basses et améliorer les performances des dispositifs électrochimiques. Bien que certains matériaux conducteurs à double ion liés à la pérovskite, tels que le Ba7 Nb4 MoO20 ont été signalés, leurs conductivités ne sont pas suffisamment élevées pour des applications pratiques et leurs mécanismes conducteurs sous-jacents ne sont pas bien compris.
Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Masatomo Yashima de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a décidé d'étudier la conductivité de matériaux similaires au 7. Nb4 MoO20 mais avec une fraction Mo plus élevée (c'est-à-dire Ba7 Nb4-x Mo1+x O20+x/2 ).
Leur dernière étude, menée en collaboration avec l'Organisation australienne des sciences et technologies nucléaires (ANSTO), la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) et l'Université de Tohoku, a été publiée dans Chemistry of Materials. .
Après avoir examiné divers Ba7 Nb4-x Mo1+x O20+x/2 compositions, l'équipe a constaté que Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 avait des conductivités remarquables en protons et en ions oxydes.
"Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 présentait des conductivités globales de 11 mS/cm à 537°C sous air humide et de 10 mS/cm à 593°C sous air sec. Conductivité totale du courant continu à 400°C dans l'air humide de Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 était 13 fois supérieure à celle de Ba7 Nb4 MoO20 , et la conductivité globale dans l'air sec à 306°C est 175 fois supérieure à celle de la zircone conventionnelle stabilisée à l'yttrium (YSZ)", explique le professeur Yashima.
Ensuite, les chercheurs ont cherché à faire la lumière sur les mécanismes sous-jacents à ces valeurs de conductivité élevées. À cette fin, ils ont mené des simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD), des expériences de diffraction des neutrons et des analyses de densité de longueur de diffusion des neutrons. Ces techniques leur ont permis d'étudier la structure de Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 plus en détail et déterminer ce qui le rend spécial en tant que conducteur à double ion.
Fait intéressant, l’équipe a découvert que la conductivité élevée des ions oxydes de Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 provient d’un phénomène unique. Il s'avère que le MO5 adjacent monomères dans Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 peut former M2 O9 dimères en partageant un atome d'oxygène sur l'un de leurs coins (M =cation Nb ou Mo).
La cassure et le reformage de ces dimères donnent lieu à un mouvement ultrarapide des ions oxydes, d'une manière analogue à une longue file de personnes relayant des seaux d'eau (ions oxydes) d'une personne à l'autre. De plus, les simulations AIMD ont révélé que la conduction protonique élevée observée était due à une migration efficace des protons dans le BaO3 hexagonal compact. couches dans le matériau.
Pris ensemble, les résultats de cette étude mettent en évidence le potentiel des conducteurs à double ion liés à la pérovskite et pourraient servir de lignes directrices pour la conception rationnelle de ces matériaux.
"Les découvertes actuelles de conductivités élevées et de mécanismes uniques de migration des ions dans Ba7 Nb3.8 Mo1.2 O20.1 contribuera au développement de la science et de l'ingénierie des conducteurs à oxydes d'ions, à protons et à double ion", déclare le professeur Yashima.
Plus d'informations : Yuichi Sakuda et al, Mécanisme coopératif médié par les dimères de conduction des ions ultrarapides dans les oxydes hexagonaux liés à la pérovskite, Chimie des matériaux (2023). DOI :10.1021/acs.chemmater.3c02378
Informations sur le journal : Chimie des matériaux
Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo
