Tecnologia Científica

Novos materiais com alta condutividade de íons de oxigênio abrindo um futuro sustentável
Nos últimos anos, as células de combustível se tornaram um ponto focal de pesquisa em tecnologia amiga do ambiente por causa de sua capacidade superior de armazenar e produzir energia renovável e combustível limpo.
Por Instituto de Tecnologia de Tóquio - 25/01/2021


Evidência experimental do oxigênio intersticial O5 e da difusão intersticial de íons óxido O1 − O5 de Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05 a uma temperatura elevada de 800 oC. Crédito: Instituto de Tecnologia de Tóquio

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), do Instituto Imperial e da Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia (KEK) do Instituto de Ciência da Estrutura de Materiais, descobrem novos materiais à base de Ba 7 Nb 4 MoO 20 com alto íon-oxigênio (íon óxido O 2- ) condutividades - "os óxidos relacionados à perovskita hexagonal" - e lançar luz sobre os mecanismos subjacentes responsáveis ​​por sua condutividade. Suas descobertas abrem caminho para a descoberta de outros materiais semelhantes, promovendo pesquisas sobre o desenvolvimento de tecnologias de energia renovável escalonáveis ​​e de baixo custo.

Nos últimos anos, as células de combustível se tornaram um ponto focal de pesquisa em tecnologia amiga do ambiente por causa de sua capacidade superior de armazenar e produzir energia renovável e combustível limpo. Um tipo típico de célula de combustível ganhando terreno é a célula de combustível condutora de íon óxido , que é feita principalmente de materiais através dos quais os íons de óxido (íons de oxigênio: O 2- ) podem se mover facilmente. Novos materiais com maior condutividade em temperaturas baixas e intermediárias oferecem uma série de vantagens sobre as células de combustível comumente usadas com base em eletrólitos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), como maior eficiência de geração de energia, vida útil mais longa e custos mais baixos.

No entanto, apenas um número limitado de tais materiais é conhecido e sua aplicação no desenvolvimento de células de combustível permaneceu amplamente em escala de laboratório. Para realmente alcançar uma economia de energia sustentável, novos condutores de íons de óxido com alta condutividade precisam ser descobertos, o que pode permitir um aumento de escala eficiente e de baixo custo dessas tecnologias.

Cientistas da Tokyo Tech, Imperial e KEK se propuseram a atender a essa necessidade e, em um estudo recente, identificaram um novo material condutor de óxido-íon que pode ser um representante de uma família inteira de condutores óxido-íon.

Comparação de condutividades brutas σb de Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05 e outros condutores
de íon óxido. Crédito: Instituto de Tecnologia de Tóquio

O material em questão tem a fórmula química Ba 7 Nb 3,9 Mo 1,1 O 20,05 e é classificado como um "óxido relacionado à perovskita hexagonal". O professor Masatomo Yashima, que liderou o estudo, explica: "Ba 7 Nb 3,9 Mo 1,1 O 20,05 mostra uma ampla faixa de estabilidade e condução predominantemente de íon óxido na faixa de pressão parcial de oxigênio de 2x10 -26 a 1 atm. Surpreendentemente, a condutividade total de Ba 7 Nb 3,9 Mo 1,1 O 20,05 , 5,8 × 10 -4S / cm, é notavelmente alto a 310 ° C e mais alto do que os materiais à base de óxido de bismuto e zircônia. O professor Stephen Skinner comenta que o transporte rápido de íons óxido foi inequivocamente confirmado usando a técnica de difusão do traçador 18 O em Imperial.
 
O professor Yashima e sua equipe observam que a estrutura cristalina do Ba 7 Nb 3.9 Mo 1.1 O 20.05 contém camadas deficientes em oxigênio e que sua alta condutividade óxido-íon é atribuível à migração óxido-íon nas camadas c '. Na verdade, eles tiveram sucesso na visualização experimental das vias de difusão de óxido-íon O1-O 5 pelas medições de difração de nêutrons em uma alta temperatura de 800 oC com difratômetro SuperHRPD do grupo do Prof Takashi Kamiyama em KEK / J-PARC. O professor Yashima diz que os íons de óxido migram via mecanismo de difusão intersticial através de sítios de oxigênio O5 octaédrico intersticial e O1 tetraédrico de rede e que as vias de difusão (tetraédrica) - (octaédrica) na camada c 'em Ba 7Nb 3,9 Mo 1,1 O 20,05 é o mesmo que aqueles em outro óxido relacionado à perovskita hexagonal Ba 3 MoNbO 8,5-δ . Portanto, o Prof Yashima e sua equipe afirmam que "A característica comum do mecanismo de difusão seria um guia para o projeto de condutores de óxido-íon com as estruturas relacionadas perovskita hexagonal e que a descoberta atual de altas condutividades de óxido-íon em terras-raras- livre Ba 7 Nb 3,9 Mo 1,1 O 20,05 sugere a capacidade de vários óxidos de perovskita hexagonal como óxido-íon superior condutores. "

 

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