Faire la lumière sur des mécanismes de conduction uniques dans un nouveau type d’oxyde de pérovskite

Les conductivités remarquables des protons et des ions oxydes (ions doubles) de l’oxyde Ba lié à la pérovskite hexagonale₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 sont prometteurs pour les dispositifs électrochimiques de nouvelle génération, comme le rapportent les scientifiques de Tokyo Tech. Les mécanismes uniques de transport d’ions qu’ils ont dévoilés ouvriront, espérons-le, la voie à de meilleurs conducteurs à double ion, qui pourraient jouer un rôle essentiel dans les technologies d’énergie propre de demain.

Les technologies d’énergie propre sont la pierre angulaire des sociétés durables, et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à proton-céramique (PCFC) comptent parmi les types de dispositifs électrochimiques les plus prometteurs pour la production d’énergie verte. Ces dispositifs restent cependant confrontés à des défis qui entravent leur développement et leur adoption.

Idéalement, les SOFC devraient fonctionner à basse température pour éviter que des réactions chimiques indésirables ne dégradent leurs matériaux constitutifs. Malheureusement, la plupart des conducteurs d’ions oxydes connus, un composant clé des SOFC, ne présentent une conductivité ionique décente qu’à des températures élevées.

Quant aux PCFC, non seulement ils sont chimiquement instables sous une atmosphère de dioxyde de carbone, mais ils nécessitent également des étapes de traitement à haute température et à forte consommation d’énergie lors de leur fabrication.

Heureusement, il existe un type de matériau qui peut résoudre ces problèmes en combinant les avantages des SOFC et des PCFC : les conducteurs doubles ioniques.

En favorisant la diffusion des protons et des ions oxydes, les conducteurs à double ion peuvent atteindre une conductivité totale élevée à des températures plus basses et améliorer les performances des dispositifs électrochimiques. Bien que certains matériaux conducteurs à double ion liés à la pérovskite, tels que le Ba₇Nb₄Meuglement₂₀ ont été signalés, leurs conductivités ne sont pas suffisamment élevées pour des applications pratiques et leurs mécanismes conducteurs sous-jacents ne sont pas bien compris.

Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Masatomo Yashima de l’Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a décidé d’étudier la conductivité de matériaux similaires à ₇Nb₄Meuglement₂₀ mais avec une fraction Mo plus élevée (c’est-à-dire Ba₇Nb_4-xMo_1+xÔ_20+x/2).

Leur dernière étude, menée en collaboration avec l’Organisation australienne des sciences et technologies nucléaires (ANSTO), la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) et l’Université de Tohoku, a été publiée dans Chimie des matériaux.

Après avoir examiné divers Ba₇Nb_4-xMo_1+xÔ_20+x/2 compositions, l’équipe a découvert que Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 avait des conductivités protoniques et oxydes remarquables.

“Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 présentait des conductivités globales de 11 mS/cm à 537°C sous air humide et de 10 mS/cm à 593°C sous air sec. Conductivité totale du courant continu à 400°C dans l’air humide de Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 était 13 fois supérieure à celle de Ba₇Nb₄Meuglement₂₀et la conductivité globale dans l’air sec à 306°C est 175 fois supérieure à celle de la zircone conventionnelle stabilisée à l’yttrium (YSZ)”, explique le professeur Yashima.

Les chercheurs ont ensuite cherché à faire la lumière sur les mécanismes sous-jacents à ces valeurs de conductivité élevées. À cette fin, ils ont mené des simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD), des expériences de diffraction des neutrons et des analyses de densité de longueur de diffusion des neutrons. Ces techniques leur ont permis d’étudier la structure de Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 plus en détail et déterminer ce qui le rend spécial en tant que conducteur à double ion.

Fait intéressant, l’équipe a découvert que la conductivité élevée des ions oxydes de Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 provient d’un phénomène unique. Il s’avère que le MO adjacent₅ monomères en Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 peut former M₂Ô₉ dimères en partageant un atome d’oxygène sur l’un de leurs coins (M = cation Nb ou Mo).

La rupture et le reformage de ces dimères donnent lieu à un mouvement ultrarapide des ions oxydes, d’une manière analogue à une longue file de personnes relayant des seaux d’eau (ions oxydes) d’une personne à l’autre. De plus, les simulations AIMD ont révélé que la conduction protonique élevée observée était due à une migration efficace des protons dans le BaO hexagonal compact.₃ couches dans le matériau.

Pris ensemble, les résultats de cette étude mettent en évidence le potentiel des conducteurs à double ion liés à la pérovskite et pourraient servir de lignes directrices pour la conception rationnelle de ces matériaux.

“Les découvertes actuelles de conductivités élevées et de mécanismes uniques de migration des ions dans Ba₇Nb_3.8Mo_1.2Ô_20.1 contribuera au développement de la science et de l’ingénierie des conducteurs à oxydes d’ions, à protons et à double ion », déclare le professeur Yashima.