Al escuchar la palabra "conductor" en referencia a la química, la mayoría inmediatamente pensará en el movimiento de electrones dentro de un material. Pero los electrones no son las únicas partículas que pueden moverse a través de un material; los iones de óxido también pueden hacerlo. Muchos científicos de materiales yLos ingenieros actualmente están buscando materiales con alta conductividad de iones de óxido. Estos materiales tienen muchas aplicaciones potenciales, particularmente en el desarrollo de tecnologías amigables con el medio ambiente. Por ejemplo, los conductores de iones de óxido podrían usarse en celdas de combustible, que convierten directamente combustible limpio comohidrógeno en energía eléctrica, o en membranas de separación de oxígeno, que podrían ser útiles en sistemas para capturar el CO2 que producimos quemando carbón o combustibles fósiles.
Desafortunadamente, un número limitado de familias de estructuras de materiales puede lograr altas conductividades de iones de óxido. Las perovskitas son una de esas familias de estructuras. Las perovskitas y las perovskitas en capas tienen estructuras cristalinas especiales que a veces exhiben propiedades físicas y químicas sobresalientes. Prof. MasatomoYashima y sus colegas del Instituto de Tecnología de Tokio estudiaron una clase de perovskitas en capas, una fase Dion-Jacobson, donde las "losas" bidimensionales similares a perovskita se apilan y se separan por una capa de iones de metales alcalinos, como el catión cesio Cs +. En su artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , el profesor Yashima y sus colegas explican su motivación: "Se han realizado numerosos estudios sobre las propiedades eléctricas de las fases Dion-Jacobson, como su conducción de protones, iones de litio e iones de sodio. Sin embargo, no hay informes sobre elconducción de iones de óxido en fases Dion-Jacobson "
En su estudio, los científicos primero seleccionaron sesenta y nueve fases potenciales de Dion-Jacobson usando el método de enlace de valencia. Este método les permitió calcular las barreras energéticas para la migración de iones de óxido en cada fase de Dion-Jacobson, a partir de la cual identificaronCsBi 2 Ti 2 NbO 10- δ CBTN como un candidato prometedor porque tiene una barrera de baja energía y no contiene elementos caros de tierras raras. Además, prepararon muestras de CBTN y descubrieron que la conductividad de iones de óxido de CBTN era mayor que la de muchos otros óxidosiones conductores, como la circonia estabilizada con itria convencional.
Para comprender qué causa tal alta conductividad de iones de óxido en CBTN, los científicos analizaron su estructura cristalina y observaron cómo la estructura cambia con la temperatura. Usando un difractómetro de neutrones de súper alta resolución, SuperHRPD en J-PARC, identificaron variosposibles caminos a través de la red cristalina a través de la cual los iones de óxido podrían migrar a altas temperaturas. Lo más importante, descubrieron un nuevo mecanismo que parece ser una de las causas de la alta conductividad de iones de óxido: el aumento de la temperatura hace que aparezcan vacantes de oxígeno, lo que facilitamigración de iones de óxido. Los grandes cationes Cs y el desplazamiento de los iones de Bi en la estructura a altas temperaturas expanden los cuellos de botella, permitiendo la migración de iones de óxido.
Este estudio allana el camino para encontrar nuevos conductores de iones de óxido de bajo costo. Basado en este mecanismo de conducción de iones de óxido, uno puede mejorar las conductividades de iones de óxido de los materiales de la familia CBTN modificando la composición química de CBTN mediante la adición deimpurezas dopaje ". Los hallazgos actuales de alta conductividad de iones de óxido en esta nueva familia de estructuras, la CsBi tipo Dion-Jacobson 2 Ti 2 NbO 10- δ y el nuevo concepto de cuello de botella ampliado introducido podría facilitar el diseño de nuevos conductores de iones de óxido basados en las fases de Dion-Jacobson ", concluyen el profesor Yashima y sus colegas. Los resultados de este estudio abren las posibilidades para muchas aplicaciones novedosaseso conducirá a un futuro sostenible. De hecho, el presente trabajo fue elegido como lo más destacado de los editores de Comunicaciones de la naturaleza .
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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