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新材料具有高氧离子电导率 或将推动可再生能源技术发展

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58京牌 ,东京工业大学(Tokyo Tech)、帝国理工学院(Imperial)、高能加速器研究机构(KEK)的材料结构科学研究所(Institute of Materials Structure Science)的科学家们发现基于Ba7Nb4MoO20的新型高氧离子(氧离子O2-)电导率材料——六方钙钛矿相关氧化物(the hexagonal perovskite-related oxides),并揭示其潜在的导电机制。这一研究成果为开发其他类似材料奠定基础,并进一步推动低成本、可扩展性可再生能源技术的发展。 

(图片来源:phys.org) 

过去几年,燃料电池因具有储存和生产可再生能源和清洁燃料的卓越能力,成为环保技术领域的研究重点。目前市场上典型的燃料电池是氧离子导电燃料电池,主要由氧离子(氧离子:O2-)极易通过的材料制成。与常用的基于钇稳定氧化锆(YSZ)电解质的燃料电池相比,新材料在中低温下的导电性更高,并具有诸多优点,如发电效率更高、寿命更长和成本更低。 

然而,目前此类材料比较少。为了解决这一问题,在最近一项研究中,东京工业大学、帝国理工学院和KEK的科学家们发现了一种新型氧离子导电材料,或将成为整个氧离子导体家族的代表性材料。 

这种物质的化学式为Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05,被归类为“六方钙钛矿相关氧化物”(hexagonal perovskite-related oxide)。研究人员表示:“在氧分压为2×10-26到1 atm的范围内,Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05的稳定范围很广,并且主要是氧离子导电。令人吃惊的是,Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05的体电导率(5.8 × 10-4 S/cm)在310°C时非常高,而且高于铋氧化物和氧化锆基材料。 ”

研究团队指出,Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05的晶体结构中包含缺氧层,其高氧离子导电性可归因于c‘层上的氧离子迁移。事实上,研究人员利用超高分辨率粉末中子衍射装置SuperHRPD,在800 ℃的高温下进行中子衍射测量,成功做到了O1-O5 氧离子扩散路径的实验可视化。

研究人员表示,与另外一种六方钙钛矿相关氧化物 Ba3MoNbO8.5-δ相同,在Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05的c‘层上,氧离子通过通过间质扩散机制发生移动,通过间隙八面体O5和晶格四面体O1氧位。因此,研究团队表示:“对于设计具有六方钙钛矿相关结构的氧离子导体,扩散机制共同特征将具有指导意义。最近发现不含稀土的Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05具有高氧离子电导率,由此可以看出不同的六方钙钛矿相关氧化物可以作为优异的氧离子导体。”

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