Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Imperial and High Energy Accelerator Research Organization (KEK) Institute of Materials Structure Science, ontdek nieuwe Ba ₇ Nb ₄ Loeien ₂₀ -gebaseerde materialen met een hoog zuurstof-ion (oxide-ion O ^2- ) geleidbaarheden - "de hexagonale perovskiet-gerelateerde oxiden" - en werpen licht op de onderliggende mechanismen die verantwoordelijk zijn voor hun geleidbaarheid. Hun bevindingen leiden de weg naar het ontdekken van andere soortgelijke materialen, het bevorderen van onderzoek naar de ontwikkeling van goedkope en schaalbare technologieën voor hernieuwbare energie.

De afgelopen jaren is brandstofcellen zijn een centraal punt van onderzoek geworden op het gebied van milieuvriendelijke technologie vanwege hun superieure vermogen om hernieuwbare energie en schone brandstof op te slaan en te produceren. Een typisch type brandstofcel dat terrein wint, is de oxide-ionen geleidende brandstofcel, die voornamelijk is gemaakt van materialen waardoor oxide-ionen (zuurstofionen:O ^2- ), gemakkelijk kan bewegen. Nieuwe materialen met een hogere geleidbaarheid bij lage en gemiddelde temperaturen, bieden een aantal voordelen ten opzichte van veelgebruikte brandstofcellen op basis van yttria-gestabiliseerde zirkoniumoxide (YSZ) elektrolyten, zoals een hoger stroomopwekkingsrendement, langere levensduur, en lagere kosten.

Echter, er is slechts een beperkt aantal van dergelijke materialen bekend en hun toepassing voor het ontwikkelen van brandstofcellen is grotendeels op laboratoriumschaal gebleven. Om echt te komen tot een duurzame energie-economie, Er moeten nieuwe oxide-ionengeleiders met een hoge geleidbaarheid worden ontdekt die een goedkope en efficiënte opschaling van deze technologieën mogelijk maken.

Wetenschappers van Tokyo Tech, Imperial en KEK wilden in deze behoefte voorzien, en in een recente studie, identificeerde een nieuw oxide-ion-geleidend materiaal dat een vertegenwoordiger kan zijn van een hele familie van oxide-ion-geleiders.

Het materiaal in kwestie heeft de chemische formule Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 en is geclassificeerd als een "hexagonaal perovskiet-gerelateerd oxide." Prof Masatomo Yashima, die de studie leidde, legt uit:"Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 toont een breed stabiliteitsbereik en overwegend oxide-ionengeleiding in het partiële zuurstofdrukbereik van 2x10 ^-26 tot 1 atm. Verrassend genoeg, bulkgeleidbaarheid van Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 , 5,8 × 10 ^-4 S/cm, is opmerkelijk hoog bij 310 °C, en hoger dan op bismutoxide en zirkoniumoxide gebaseerde materialen. Prof Stephen Skinner merkt op dat het snelle transport van oxide-ionen ondubbelzinnig werd bevestigd met behulp van de ¹⁸ O tracer-diffusietechniek bij Imperial.

Prof Yashima en zijn team merken op dat de kristalstructuur van Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 bevat zuurstofarme lagen, en dat zijn hoge oxide-iongeleidbaarheid te wijten is aan de oxide-ionmigratie op de c'-lagen. In feite, ze slagen in experimentele visualisatie van O1-O ₅ oxide-ion diffusieroutes door de neutronendiffractiemetingen bij een hoge temperatuur van 800 oC met SuperHRPD-diffractometer van de groep van Prof Takashi Kamiyama bij KEK/J-PARC. Prof Yashima zegt dat de oxide-ionen migreren via interstitiële diffusiemechanisme door interstitiële octaëdrische O5 en rooster tetraëdrische O1 zuurstofplaatsen en dat de (tetraëdrische)-(octaëdrische) diffusieroutes op de c'-laag in Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 is hetzelfde als die in een ander hexagonaal perovskiet-gerelateerd oxide Ba ₃ MoNbO _8.5-δ . Daarom, Prof Yashima en zijn team beweren dat "het gemeenschappelijke kenmerk van het diffusiemechanisme een gids zou zijn voor het ontwerp van oxide-ionengeleiders met de hexagonale perovskiet-gerelateerde structuren en dat de huidige bevinding van hoge oxide-iongeleidbaarheid in zeldzame-aarde-vrije Ba ₇ Nb _3.9 Mo _1.1 O _20.05 suggereert het vermogen van verschillende hexagonale perovskiet-gerelateerde oxiden als superieure oxide-ionengeleiders."