Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en medewerkers hebben de overbinding aangetoond van kanaalzuurstofatomen in La-rijke apatiet-type lanthaansilicaten, in plaats van de aanwezigheid van de interstitiële zuurstofatomen, verantwoordelijk zijn voor de hoge oxide-ionen geleidbaarheid. Dit concept van "hoge oxide-ionengeleiding door overbonding" opent de deur voor het ontwerpen van betere ionengeleiders, die nuttig kunnen zijn bij energieconversie en milieubescherming.

Vast oxide elektrolyten zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun brede scala aan toepassingen in vaste oxide brandstofcellen (SOFC's), zuurstof membranen, katalysatoren, en gassensoren. Elektrolyten met een hoge geleidbaarheid van oxide-ionen bij temperaturen onder 600 ° C zijn vereist om de bedrijfstemperatuur van SOFC's te verlagen. Professor Susumu Nakayama aan het National Institute of Technology, Niihama College heeft in 1995 de extreem hoge oxide-ionen geleidbaarheid ontdekt in het tussenliggende temperatuurbereik onder 600°C, die veel onderzoekers heeft aangemoedigd om de structurele oorsprong van dit fenomeen te bestuderen.

Men geloofde dat de hoge oxide-ionengeleidbaarheid van apatietachtige materialen te wijten is aan interstitiële zuurstofatomen. Echter, in deze nieuwe studie, Professor Masatomo Yashima, Dr. Kotaro Fujii aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), en hun collega's hebben aangetoond dat apatiet-achtige materialen Si-vacatures bevatten, maar geen zuurstofinterstitials. De Si-vacatures in de materialen zijn oorspronkelijk voorgesteld door professor Koichiro Fukuda van het Nagoya Institute of Technology.

Door enkelkristal neutronendiffractiestudies met behulp van de SENJU-diffractometer geïnstalleerd bij MLF, J-PARC-faciliteit (Figuur 1), ze waren in staat om de kristalstructuren van de apatietmaterialen La . nauwkeurig te bepalen _9.333 Si ₆ O ₂₆ en La-rijke La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O ₂₆ (□ staat voor Si-leegstand) inclusief bezettingsfactoren, atomaire verplaatsingsparameters, en ruimtelijke verdelingen van zuurstofatomen. Ze maten ook de dichtheid en oxide-ionen geleidbaarheid van de twee materialen. In dit werk, La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O ₂₆ werd gekozen vanwege de hoge oxide-ionen geleidbaarheid.

Door structuuranalyses met behulp van de diffractiegegevens, de onderzoekers vonden Si-vacatures, geen interstitiële zuurstof, en grotere positionele stoornis van het oxide-ion aan de O ₄ site in het apatietkanaal in vergelijking met het basismateriaal La _9.333 Si ₆ O ₂₆ (Figuur 2). De lagere activeringsenergie voor de oxide-ionengeleiding langs de c-as bleek de belangrijkste reden te zijn voor de hogere oxide-ionengeleiding van La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O26 in vergelijking met La _9.333 Si ₆ O ₂₆ . De overmaat La leverde de overbinding van de O . op ₄ oxide-ion in La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O ₂₆ in vergelijking met La _9.333 Si ₆ O ₂₆ , wat leidde tot een hogere mobiliteit van oxide-ionen en geleidbaarheid van La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O ₂₆ met Si vacatures (Figuur 2). Dichtheidsmetingen door de Archimedes-methode ondersteunden de aanwezigheid van Si-vacatures in La _9.565 (Si _{5.826□0.174} )O ₂₆ .

Dus, de onderzoekers stelden voor dat overtollige La-kationen verantwoordelijk zijn voor overgebonden kanaalzuurstofatomen langs de c-as, wat leidt tot zeer anisotrope atomaire verplaatsing en hoge zuurstofmobiliteit. Daarom kan dit nieuwe concept van "hoge oxide-ionengeleiding door overbinding" nuttig zijn voor het ontwerpen van betere ionengeleiders.