Chloé Moreau
Les remarquables conductivités protonique et oxyde-ion (double ion) de l’oxyde hexagonal Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 lié à la pérovskite sont prometteuses pour les dispositifs électrochimiques de nouvelle génération, comme l’ont rapporté les scientifiques de Tokyo Tech. Les mécanismes uniques de transportation d’ions qu’ils ont dévoilés ouvriront, espérons-le, la voie à de meilleurs conducteurs à double ion, qui pourraient jouer un rôle essentiel dans les technologies d’énergie propre de demain.
Les systems d’énergie propre sont la pierre angulaire des sociétés durables, et les piles à flamable à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à proton-céramique (PCFC) comptent parmi les sorts de dispositifs électrochimiques les additionally prometteurs pour la production d’énergie verte. Ces dispositifs 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 sous une atmosphère de dioxyde de carbone, mais ils nécessitent également des étapes de traitement à haute température et à forte consommation d’énergie lors de leur fabrication.
Heureusement, il existe un sort 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 double ion peuvent atteindre une conductivité totale élevée à des températures as well as basses et améliorer les performances des dispositifs électrochimiques. Bien que certains matériaux conducteurs à double ion liés à la pérovskite, tels que Ba7Nb4MoO20, aient été signalés, leurs conductivités ne sont pas suffisamment élevées pour des purposes 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 7Nb4MoO20 mais avec une fraction de Mo additionally élevée (c’est-à-dire Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2). . Leur dernière étude, menée en collaboration avec l’Organisation australienne des sciences et systems nucléaires (ANSTO), la Higher Strength Accelerator Study Organisation (KEK) et l’Université de Tohoku, a été publiée dans Chemistry of Components.
Après avoir examiné diverses compositions Ba7Nb4-xMo1+xO20+x/2, l’équipe a découvert que Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 avait des conductivités remarquables en protons et en ions oxydes. “Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 présentait des conductivités globales de 11 mS/cm à 537 ℃ sous air humide et de 10 mS/cm à 593 ℃ sous air sec. Conductivité totale du courant continu à 400 ℃ dans l’air humide de Ba7Nb3.8Mo1.2O20 .1 était 13 fois supérieure à celle du Ba7Nb4MoO20, et la conductivité globale dans l’air sec à 306 ℃ est 175 fois supérieure à celle de la zircone conventionnelle stabilisée à l’yttria (YSZ)”, souligne le professeur Yashima.
Les chercheurs ont ensuite 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 strategies leur ont permis d’étudier as well as en détail la construction de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 et de déterminer ce qui le rend spécial en tant que conducteur double ionique.
Fait intéressant, l’équipe a découvert que la conductivité élevée des ions oxydes de Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 provient d’un phénomène special. Il s’avère que les monomères MO5 adjacents dans Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 peuvent former des dimères M2O9 en partageant un atome d’oxygène sur l’un de leurs cash (M = Nb ou cation Mo). La rupture 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 additionally, les simulations AIMD ont révélé que la conduction protonique élevée observée était thanks à une migration efficace des protons dans les couches hexagonales serrées de BaO3 du 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 de migration d’ions uniques dans Ba7Nb3.8Mo1.2O20.1 aideront au développement de la science et de l’ingénierie des conducteurs d’ions oxydes, de protons et d’ions doubles”, conclut le professeur Yashima, plein d’espoir.
