De toekomst van brandstof voorzien met nieuwe perovskiet-gerelateerde oxide-ionengeleiders

In een recent onderzoek hebben wetenschappers van Tokyo Tech, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd. en de Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) stabiele en hoge oxide-ionengeleiders op basis van een nieuw hexagonaal perovskiet-gerelateerd oxide gerapporteerd. Deze hoogwaardige oxide-ionengeleiders kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van vaste elektrolyten voor batterijen van de volgende generatie en apparaten voor schone energie, zoals vaste-oxidebrandstofcellen.

De steeds toenemende vraag naar schone energie en hoogwaardige apparaten in het moderne technologische tijdperk heeft de ontwikkeling van alternatieve energiematerialen gevraagd. Vooral oxide-ion-geleiders hebben op dit front veel aandacht gekregen. De aanwezigheid van zeer mobiele oxide-ionen in hun kristalstructuur verleent deze materialen unieke elektronische eigenschappen met mogelijke toepassingen in het ontwerp van vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC’s), een veelbelovende technologie voor het opwekken van schone energie.

Om efficiënte SOFC’s te ontwikkelen, zijn vaste oxide-ionengeleiders met een hoge geleidbaarheid en chemische en elektrische stabiliteit nodig. Helaas vertonen conventionele oxide-ionengeleiders niet voldoende geleidbaarheid onder 700 graden Celsius. Een alternatief materiaal met een hoge ionengeleiding bij lagere temperaturen (300 tot 600 graden Celsius) is daarom zeer gewild.

Gelukkig kunnen oxiden van het perovskiet-type te hulp komen. In het bijzonder is gemeld dat hexagonale perovskietderivaten bestaande uit barium (Ba), molybdeen (Mo) en niobium (Nb) oxiden een hoge ionische geleidbaarheid vertonen. Er blijven echter bepaalde nadelen bestaan: de hoeveelheid zuurstof in de interstitiële ruimten van de kristalstructuur, die nodig is voor een hoge geleiding, is nog steeds laag, elektronische geleiding concurreert met en belemmert iongeleiding in een reducerende atmosfeer, en diffractietechnieken kunnen geen licht werpen op het onderliggende zuurstofmigratiemechanisme.

In een recente studie gepubliceerd in Klein, een team van onderzoekers onder leiding van prof. Masatomo Yashima van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, heeft deze problemen aangepakt. Het team ontwikkelde een nieuw hexagonaal perovskiet-gerelateerd oxide, Ba₇Ta_3.7Mo_1.3O_20.15, die uitstekende ionengeleiding vertoonde bij tussenliggende en lage temperaturen. “We wilden materialen ontwerpen die de introductie van een groot aantal interstitiële zuurstofatomen in hun structuur mogelijk maakten en een hoge geleidbaarheid vertoonden bij tussenliggende en lage temperaturen. Bovendien bleef de ionengeleiding dominant in een reducerende atmosfeer”, legt prof. Yashima uit. Deze studie is voortgekomen uit gezamenlijk onderzoek uitgevoerd door Tokyo Tech, Japan, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd., Japan, en de Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), Australië.

Het team voerde vervolgens structurele analyses uit van de materialen met behulp van een combinatie van synchrotron-röntgen- en neutronendiffractiegegevens en numerieke berekeningen. Ze ontdekten dat het introduceren van tantaal (Ta) in de structuur resulteerde in verbeterde stabiliteit en een groter aantal interstitiële zuurstofatomen in vergelijking met de andere hexagonale perovskiet-gerelateerde oxiden. Bovendien toonden de analyses en berekeningen aan dat de Mo-ionen bij voorkeur de zuurstofarme lagen bezetten die verantwoordelijk zijn voor de oxide-ionengeleiding.

Het team is verheugd met deze bevindingen en prof. Yashima is optimistisch over de praktische gevolgen ervan. “De resultaten die in onze studie zijn verkregen, kunnen een effectieve strategie bieden voor de ontwikkeling en commercialisering van SOFC’s”, verwacht hij.