Apatitt-type materialer uten interstitiale oksygener viser høy oksid-ion ledningsevne ved overbonding

Central Nervous System: Crash Course A&P #11 (Juni 2019).

Anonim

Forskere ved Tokyo Institute of Technology og samarbeidspartnere har vist overbonding av kanaloksygener i La-rich-apatitt-type lantansilikater, i stedet for tilstedeværelsen av de interstitielle oksygenene, for å være ansvarlig for høyoksyd-ionledningsevnen. Dette konseptet med "høy oksid-ion ledningsevne ved overbonding" åpner døren for å designe bedre ion ledere, som kan være nyttig i energi konvertering og miljøvern.

Solidoksydelektrolytter har blitt grundig studert på grunn av deres store anvendelsesområde i fastoksydbrenselceller (SOFC), oksygenmembraner, katalysatorer og gassensorer. Elektrolytter med høy oksid-ion ledningsevne ved temperaturer under 600 grader C kreves for å redusere driftstemperaturen til SOFCer. Professor Susumu Nakayama ved National Institute of Technology, Niihama College, har i 1995 oppdaget ekstremt høy oksyd-ion ledningsevne i mellomtemperaturområdet under 600 ° C, noe som har oppmuntret mange forskere til å studere den strukturelle opprinnelsen til dette fenomenet.

Det ble antatt at den høye oksid-ionledningsevne av apatitt-type materialer skyldes interstitielle oksygener. Men i denne nye studien har professor Masatomo Yashima, Dr. Kotaro Fujii ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), og deres kolleger vist at apatitt-type materialer inneholder Si ledige stillinger, men ikke oksygeninterstitialer. Ses ledige stillinger i materialene ble opprinnelig foreslått av professor Koichiro Fukuda ved Nagoya Institute of Technology.

Gjennom single-crystal neutron diffraksjonsstudier ved bruk av SENJU diffraktometer installert på MLF, J-PARC anlegget (Figur 1), klarte de nøyaktig å bestemme krystallstrukturen til apatittmaterialene La 9.333 Si 6 O 26 og La-rich La 9.565 Si 5, 826 □ 0, 174) O 26 (□ betegner Si ledig stilling), inkludert belegningsfaktorer, atomforskyvningsparametere og romlige fordelinger av oksygenatomer. De målte også tettheten og oksid-ion ledningsevnen av de to materialene. I dette arbeidet ble La 9.565 (Si 5.826 □ 0.174) O 26 valgt på grunn av dens høye oksid-ionledningsevne.

Ved strukturanalyser ved hjelp av diffraksjonsdataene fant forskerne Si ledige stillinger, ingen interstitielle oksygener og større posisjonsforstyrrelse av oksidjonen ved O4- stedet i apatittkanalen sammenlignet med grunnmaterialet La 9.333 Si 6 O 26 (figur 2). Den nedre aktiveringsenergien for oksydionskonduksjonen langs c-aksen ble funnet å være hovedårsaken til høyere oksid- ionledningsevne av La 9.565 (Si 5, 826 □ 0, 174) O26 sammenlignet med La 9.333 SiO 26. Overskottet La ga overbondingen av O4 oksid-ionet i La 9.565 (Si 5.826 □ 0.174) O26 sammenlignet med La 9.333 Si 0626 som førte til høyere oksid-ion-mobilitet og konduktivitet av La 9.565 (Si 5.826 □ 0, 174) O 26 med Si ledige stillinger (Figur 2). Tetthetsmålinger ved Archimedes-metoden støttet tilstedeværelsen av Si ledige stillinger i La 9.565 (Si 5.826 □ 0.174) O 26.

Dermed foreslo forskerne at overskytende La kationer er ansvarlige for overbundne kanaloksygener langs c-aksen, noe som fører til svært anisotropisk atomforskyvning og høy oksygenmobilitet. Derfor kan dette nye konseptet "høy oksyd-ionledningsevne ved overbonding" være nyttig for å designe bedre ionledere.

menu
menu