In un recente studio, gli scienziati della Tokyo Tech, del Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd. e dell'Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) hanno segnalato conduttori stabili e ad alto contenuto di ioni di ossido basati su un nuovo ossido esagonale correlato alla perovskite. Questi conduttori ossido-ioni ad alte prestazioni potrebbero aprire la strada allo sviluppo di elettroliti solidi per batterie di prossima generazione e dispositivi a energia pulita come le celle a combustibile a ossido solido.

La domanda sempre crescente di energia pulita e dispositivi ad alte prestazioni nell'era tecnologica moderna ha richiesto lo sviluppo di materiali energetici alternativi. In particolare, i conduttori ossido-ioni hanno attirato molta attenzione su questo fronte. La presenza di ioni di ossido altamente mobili nella loro struttura cristallina conferisce proprietà elettroniche uniche a questi materiali con potenziali applicazioni nella progettazione di celle a combustibile a ossido solido (SOFC), una tecnologia promettente per la generazione di energia pulita.

Per sviluppare SOFC efficienti, sono necessari conduttori ossido-ioni solidi con elevata conduttività e stabilità chimica ed elettrica. Sfortunatamente, i conduttori ossido-ioni convenzionali non mostrano una conduttività sufficiente al di sotto dei 700 gradi Celsius. Pertanto, è molto ricercato un materiale alternativo con un'elevata conduttività ionica a temperature più basse (da 300 a 600 gradi Celsius).

Fortunatamente, gli ossidi di tipo perovskite potrebbero venire in soccorso. In particolare, è stato riportato che i derivati ​​esagonali della perovskite composti da ossidi di bario (Ba), molibdeno (Mo) e niobio (Nb) mostrano un'elevata conduttività ionica. Tuttavia, permangono alcuni inconvenienti:la quantità di ossigeno negli spazi interstiziali della struttura cristallina, necessaria per un'elevata conduzione, è ancora bassa, la conduzione elettronica compete e ostacola la conduzione ionica in atmosfera riducente e le tecniche di diffrazione non sono in grado di fare luce sul meccanismo di migrazione dell'ossigeno sottostante.

In un recente studio pubblicato su Small , un team di ricercatori guidato dal Prof. Masatomo Yashima del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Giappone, ha affrontato questi problemi. Il team ha sviluppato un nuovo ossido esagonale correlato alla perovskite, Ba₇ Ta_3.7 Mo_1.3 O_20.15 , che ha mostrato un'eccellente conduzione ionica a temperature intermedie e basse. "Miravamo a progettare materiali che consentissero l'introduzione di un gran numero di ossigeni interstiziali nella loro struttura e mostrassero un'elevata conduttività a temperature intermedie e basse. Inoltre, la conduzione ionica rimaneva dominante in un'atmosfera riducente", elabora il prof. Yashima. Questo studio è venuto da una ricerca collaborativa condotta da Tokyo Tech, Giappone, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd., Giappone, e l'Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), Australia.

Il team ha quindi effettuato analisi strutturali dei materiali utilizzando una combinazione di dati di diffrazione di raggi X e neutroni di sincrotrone e calcoli numerici. Hanno scoperto che l'introduzione del tantalio (Ta) nella struttura ha comportato una migliore stabilità e un numero maggiore di ossigeni interstiziali rispetto agli altri ossidi esagonali correlati alla perovskite. Inoltre, le analisi e i calcoli hanno mostrato che gli ioni Mo occupavano preferenzialmente gli strati carenti di ossigeno responsabili della conduzione degli ioni ossido.

Il team è lieto di questi risultati e il Prof. Yashima è ottimista sulle loro ramificazioni pratiche. "I risultati ottenuti nel nostro studio potrebbero fornire una strategia efficace per lo sviluppo e la commercializzazione delle SOFC", prevede. + Esplora ulteriormente

Nuovi materiali con un'elevata conducibilità degli ioni di ossigeno che aprono un futuro sostenibile