Durchbruch bei Hochleistungs-Oxidionenleitern unter Verwendung von Rubidium
Forscher haben ein rubidiumhaltiges Material mit außergewöhnlicher Leitfähigkeit und Stabilität entdeckt, das den Weg für Festoxid-Brennstoffzellen der nächsten Generation ebnet
Rubidium könnte die nächste Schlüsselrolle bei Oxid-Ionen-Leitern spielen. Forscher am Institute of Science Tokyo haben einen seltenen Rubidium (Rb)-haltigen Oxid-Ionen-Leiter, Rb₅BiMo₄O₁₆, mit außergewöhnlich hoher Leitfähigkeit entdeckt. Seine überragende Leistung, die durch rechnerisches Screening und Experimente ermittelt wurde, ist auf eine niedrige Aktivierungsenergie und strukturelle Merkmale wie ein großes freies Volumen und tetraedrische Bewegung zurückzuführen. Seine Stabilität unter verschiedenen Bedingungen bietet eine vielversprechende Richtung für Festoxid-Brennstoffzellen und saubere Energietechnologien.
Hochleitfähige, stabile Rb-haltige Oxide erweitern die Möglichkeiten für nachhaltige Oxid-Ionen-Leiter.
Institute of Science Tokyo
Oxid-Ionen-Leiter ermöglichen den Transport von Oxid-Ionen (O²-) in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), die mit verschiedenen Brennstoffen außer Wasserstoff betrieben werden können, darunter Erdgas, Biogas und sogar bestimmte flüssige Kohlenwasserstoffe. Diese Flexibilität macht sie besonders wertvoll für den Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft. Obwohl SOFCs unter dem Gesichtspunkt der energetischen Nachhaltigkeit ein transformatives Potenzial besitzen, wird ihre breite Einführung noch immer durch ihre Kosten, ihre Haltbarkeit und ihren Betriebstemperaturbereich behindert. Um diese Hürden zu überwinden, müssen bessere Oxid-Ionen-Leiter entwickelt werden, und Forscher auf der ganzen Welt probieren ständig neue Materialien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen aus. Könnte Rubidium (Rb) der Schlüssel zu leistungsstarken Oxid-Ionen-Leitern sein?
Ein Forscherteam des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, unter der Leitung von Professor Masatomo Yashima vom Department of Chemistry, School of Science, machte sich daran, diese Frage zu beantworten. Mit einem systematischen und umfassenden Ansatz untersuchten sie das ungenutzte Potenzial von Rb als nächsten großen Fortschritt in der Oxid-Ionen-Leitertechnologie. Ihre Ergebnisse wurden am 2. Februar 2025 online in Chemistry of Materials veröffentlicht.
Da Rb+ eines der größten Kationen ist (an zweiter Stelle nach dem Cäsium-Ion), wird erwartet, dass kristalline Rb-haltige Oxide ein größeres Gitter und ein größeres freies Volumen aufweisen, was zu einer geringeren Aktivierungsenergie für die Oxid-Ionen-Leitfähigkeit führen könnte. Ausgehend von dieser Idee führten die Forscher zunächst ein rechnerisches Screening von 475 Rb-haltigen Oxiden durch, wobei sie Energieberechnungen auf der Grundlage der Bindungsvalenz durchführten. Sie fanden heraus, dass Oxidmaterialien vom Palmierit-Typ, die eine ähnliche Kristallstruktur wie das natürlich vorkommende Mineral Palmierit aufweisen, eine relativ niedrige Energiebarriere für die Oxid-Ionen-Migration aufweisen.
In Anbetracht der Tatsache, dass mehrere Bismut (Bi)-haltige Materialien und Molybdän (Mo)-haltige Oxide in früheren Studien eine hohe Oxid-Ionen-Leitfähigkeit aufwiesen, wählte das Team Rb5BiMo4O16 als vielversprechenden Kandidaten aus. Um ihre Auswahl zu bestätigen, führten sie eine Reihe von Experimenten durch, darunter Materialsynthese, Leitfähigkeitsmessungen, chemische und elektrische Stabilitätstests sowie detaillierte Analysen der Zusammensetzung und Kristallstruktur. Außerdem führten sie theoretische Berechnungen und ab initio Molekulardynamiksimulationen durch, um die den gemessenen Eigenschaften zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen.
Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend. Dazu Yashima: "Überraschenderweise zeigte Rb5BiMo4O16 bei 300 °C eine hohe Oxid-Ionen-Leitfähigkeit von 0,14 mS/cm, was 29-mal höher ist als die von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid bei 300 °C und vergleichbar mit den führenden Oxid-Ionen-Leitern mit ähnlichen tetraedrischen Anteilen." Das Forschungsteam hat mehrere Faktoren identifiziert, die diese außergewöhnliche Oxid-Ionen-Leitfähigkeit erklären. Erstens ermöglichen die großen Rb-Atome eine niedrige Aktivierungsenergie für die Oxidionenleitfähigkeit. Diese Oxid-Ionen-Leitfähigkeit wird durch die Rotation und Anordnung der MoO₄-Tetraeder innerhalb des Kristallgitters noch verstärkt. Darüber hinaus trägt auch die anisotrope große thermische Schwingung der Sauerstoffatome im Material zur Oxid-Ionen-Leitfähigkeit bei. Schließlich spielt auch das Vorhandensein großer Bi-Kationen mit einem einsamen Elektronenpaar eine wichtige Rolle bei der Senkung der Aktivierungsenergie für die Oxid-Ionen-Migration.
Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt von Rb5BiMo4O16 ist seine Stabilität bei hohen Temperaturen unter verschiedenen Bedingungen, einschließlichCO2-Strömung, feuchter Luftströmung, feuchtem 5%igem Wasserstoff in Stickstoffströmung, und seine Stabilität bei etwa 21 °C in Wasser. "Die Entdeckung von Rb-haltigen Oxiden mit hoher Leitfähigkeit und hoher Stabilität könnte einen neuen Weg für die Entwicklung von Oxid-Ionen-Leitern eröffnen", kommentiert Yashima. "Wir erwarten, dass diese Fortschritte zu neuen Anwendungen und Märkten für Rb führen und dazu beitragen werden, die Betriebstemperatur und die Kosten von Festoxidbrennstoffzellen zu senken.
Weitere Forschungen auf diesem Gebiet könnten den Weg für bessere Oxid-Ionen-Leiter in nachhaltigen Energieanwendungen sowie in Geräten wie Sauerstoffmembranen, Gassensoren und Katalysatoren ebnen.
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