As notáveis ​​​​condutividades de prótons e íons óxido (íons duplos) do óxido Ba7 relacionado à perovskita hexagonal Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 são promissores para dispositivos eletroquímicos de próxima geração, conforme relatado por cientistas da Tokyo Tech. Os mecanismos únicos de transporte de íons que eles revelaram abrirão caminho para melhores condutores de íons duplos, que poderão desempenhar um papel essencial nas tecnologias de energia limpa de amanhã.



As tecnologias de energia limpa são a pedra angular das sociedades sustentáveis, e as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) e as células a combustível de cerâmica de prótons (PCFCs) estão entre os tipos mais promissores de dispositivos eletroquímicos para a geração de energia verde. Esses dispositivos, no entanto, ainda enfrentam desafios que dificultam o seu desenvolvimento e adoção.

Idealmente, as SOFCs deveriam ser operadas em baixas temperaturas para evitar que reações químicas indesejadas degradem seus materiais constituintes. Infelizmente, a maioria dos condutores de óxido-íon conhecidos, um componente chave dos SOFCs, exibem apenas uma condutividade iônica decente em temperaturas elevadas.

Quanto aos PCFCs, eles não apenas são quimicamente instáveis ​​sob atmosferas de dióxido de carbono, mas também requerem etapas de processamento de alta temperatura e uso intensivo de energia durante a fabricação.

Felizmente, existe um tipo de material que pode resolver esses problemas combinando os benefícios dos SOFCs e dos PCFCs:condutores de íons duplos.

Ao apoiar a difusão de prótons e íons de óxido, os condutores de íons duplos podem obter alta condutividade total em temperaturas mais baixas e melhorar o desempenho de dispositivos eletroquímicos. Embora alguns materiais condutores de íons duplos relacionados à perovskita, como Ba₇ Nb₄ MoO₂₀ foram relatados, suas condutividades não são altas o suficiente para aplicações práticas e seus mecanismos de condução subjacentes não são bem compreendidos.

Neste contexto, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Masatomo Yashima, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, no Japão, decidiu investigar a condutividade de materiais semelhantes a ₇. Nb₄ MoO₂₀ mas com uma fração Mo maior (ou seja, Ba₇ Nb_4-x Mo_1+x O_20+x/2 ).

Seu último estudo, conduzido em colaboração com a Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO), a Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK) e a Universidade de Tohoku, foi publicado em Chemistry of Materials. .

Após a triagem de vários Ba₇ Nb_4-x Mo_1+x O_20+x/2 composições, a equipe descobriu que Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 tinham condutividades notáveis ​​de prótons e íons de óxido.

"Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 exibiu condutividades aparentes de 11 mS/cm a 537°C sob ar úmido e 10 mS/cm a 593°C sob ar seco. Condutividade total de corrente contínua a 400°C em ar úmido de Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 foi 13 vezes maior que o de Ba₇ Nb₄ MoO₂₀ , e a condutividade total no ar seco a 306°C é 175 vezes maior do que a da zircônia estabilizada com ítria convencional (YSZ)", diz o Prof. Yashima.

Em seguida, os pesquisadores procuraram esclarecer os mecanismos subjacentes a esses altos valores de condutividade. Para este fim, eles conduziram simulações ab initio de dinâmica molecular (AIMD), experimentos de difração de nêutrons e análises de densidade de comprimento de espalhamento de nêutrons. Essas técnicas permitiram estudar a estrutura do Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 com mais detalhes e determine o que o torna especial como condutor de íons duplos.

Curiosamente, a equipe descobriu que a alta condutividade de íons óxido de Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 origina-se de um fenômeno único. Acontece que MO₅ adjacente monômeros em Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 pode formar M₂ O₉ dímeros compartilhando um átomo de oxigênio em um de seus cantos (M =Nb ou cátion Mo).

A quebra e a reforma desses dímeros dão origem a um movimento ultrarrápido de íons óxido de maneira análoga a uma longa fila de pessoas transportando baldes de água (íons óxido) de uma pessoa para outra. Além disso, as simulações AIMD revelaram que a alta condução de prótons observada foi devida à migração eficiente de prótons no BaO hexagonal compactado₃ camadas no material.

Tomados em conjunto, os resultados deste estudo destacam o potencial dos condutores de íons duplos relacionados à perovskita e podem servir como diretrizes para o projeto racional desses materiais.

"As atuais descobertas de altas condutividades e mecanismos únicos de migração de íons em Ba₇ Nb_3,8 Mo_1.2 O_20.1 ajudará o desenvolvimento da ciência e da engenharia de condutores de íons óxido, prótons e íons duplos", diz o Prof. Yashima.

Mais informações: Yuichi Sakuda et al, Mecanismo Cooperativo Mediado por Dímeros de Condução de Íons Ultrarrápidos em Óxidos Relacionados à Perovskita Hexagonal, Química de Materiais (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02378
Informações do diário: Química de Materiais

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio