揭示新型鈣鈦礦氧化物的獨特傳導機制

六方鈣鈦礦相關氧化物 Ba 具有顯著的質子和氧離子（雙離子）電導率₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1根據東京工業大學的科學家報道，它們有望用於下一代電化學設備。 他們推出的獨特的離子傳輸機制有望為更好的雙離子導體鋪平道路，這可以在未來的清潔能源技術中發揮重要作用。

清潔能源技術是永續社會的基石，固態氧化物燃料電池（SOFC）和質子陶瓷燃料電池（PCFC）是最有前途的綠色發電化學裝置類型之一。 然而，這些設備仍然面臨著阻礙其開發和採用的挑戰。

理想情況下，SOFC 應在低溫下運行，以防止不必要的化學反應導致其組成材料降解。 不幸的是，大多數已知的氧化物離子導體（SOFC 的關鍵組成部分）僅在高溫下表現出良好的離子電導率。

至於PCFC，它們不僅在二氧化碳氣氛下化學不穩定，而且在製造過程中還需要能源密集的高溫加工步驟。

幸運的是，有一種材料可以結合 SOFC 和 PCFC 的優點來解決這些問題：雙離子導體。

透過支持質子和氧離子的擴散，雙離子導體可以在較低溫度下實現高總電導率，並提高電化學裝置的性能。 儘管一些與鈣鈦礦相關的雙離子導電材料如Ba₇鈮₄氧化鉬₂₀據報道，它們的電導率對於實際應用來說還不夠高，而且它們的潛在導電機制尚不清楚。

在此背景下，日本東京工業大學Masatomo Yashima教授所領導的研究團隊決定研究類似材料的電導率₇鈮₄氧化鉬₂₀但 Mo 含量較高（即 Ba₇鈮_4-x莫_1+x氧_20+x/2）。

他們的最新研究是與澳洲核子科學技術組織（ANSTO）、高能加速器研究組織（KEK）和東北大學合作進行的，發表於材料化學。

經過篩選各種Ba₇鈮_4-x莫_1+x氧_20+x/2組成，研究小組發現Ba₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1具有顯著的質子和氧離子電導率。

「巴₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1在濕空氣下 537°C 下表現出 11 mS/cm 的體積電導率，在乾燥空氣下 593°C 下表現出 10 mS/cm 的體積電導率。 Ba濕空氣中400℃總直流電導率₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1比巴高13倍₇鈮₄氧化鉬₂₀，並且在 306°C 乾燥空氣中的體積電導率比傳統氧化釔穩定氧化鋯 (YSZ) 高 175 倍。

接下來，研究人員試圖闡明這些高電導率值背後的潛在機制。 為此，他們進行了 (AIMD) 模擬、中子繞射實驗和中子散射長度密度分析。 這些技術使他們能夠研究 Ba 的結構₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1更詳細地了解其作為雙離子導體的特殊性。

有趣的是，研究團隊發現 Ba 的高氧化物離子電導率₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1源自於一種獨特的現象。 事實證明，相鄰的 MO₅Ba 單體₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1可以形成M₂氧₉二聚體透過共享在其角之一（M = Nb 或 Mo 陽離子）。

這些二聚體的斷裂和重組產生了超快的氧離子運動，其方式類似於一長串的人將一桶水（氧離子）從一個人傳遞到另一個人。 此外，AIMD 模擬表明，觀察到的高質子傳導是由於六方密排 BaO 中質子的有效遷移所致。₃材料中的層數。

總而言之，這項研究的結果凸顯了鈣鈦礦相關雙離子導體的潛力，可以作為這些材料合理設計的指南。

「目前Ba中高電導率和獨特離子遷移機制的發現₇鈮_3.8莫_1.2氧_20.1將有助於氧離子、質子和雙離子導體科學和工程的發展。