Материалы, которые позволяют легко перемещать ионы кислорода, необходимы для твердооксидных топливных элементов. Материал, обнаруженный в этом исследовании, может позволить более эффективным твердооксидным топливным элементам работать при гораздо более низких температурах, чем современные технологии (~ 800 ° C).
Оксиды металлов — важные материалы, используемые во многих энергетических технологиях, таких как топливные элементы, сверхпроводники и термоэлектрические системы. Большинство оксидов металлов содержат дефицит кислорода или вакансии в виде точечных дефектов, которые часто равномерно распределены в материале. Сложная цель — контролируемое образование и позиционирование дефицита кислорода для создания новых структур и функциональных свойств.
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории достигли этого, открыв новый нестехиометрический оксид металла SrCrO2.8. При попытке получить тонкие пленки стехиометрического SrCrO3.0, они обнаружили, что нестехиометрическая форма с составом SrCrO2.8 формируется вместо.
Этот новый материал содержит упорядоченные массивы плоскостей SrO2, чередующихся между слоями тетраэдрически координированных ионов Cr + 4 и разделенных расстоянием ~ 1 нм.
Более того, при умеренном нагревании на воздухе он обратимо превращается из полупроводниковой формы с ромбоэдрической (алмазоподобной) структурой в металлическую форму с так называемой кубической структурой перовскита. Упорядоченные кислородные вакансии в ромбоэдрической форме позволяют ионам кислорода быстро и легко диффундировать через материал при низких температурах (~ 250 ° C). Это свойство чрезвычайно важно для технологии твердооксидных топливных элементов, которая в настоящее время требует очень высоких рабочих температур (~ 800 ° C).
Расчеты из первых принципов позволили понять образование и стабильность нестехиометрического SrCrO2.8 и как ионы кислорода могут так легко перемещаться через материал. Объединение дефектов кислородных вакансий в упорядоченные массивы представляет интерес не только для более эффективных твердооксидных топливных элементов, но также может быть полезно для других приложений, таких как термоэлектричество.
Департамент науки Министерства энергетики, программа фундаментальных энергетических наук. В исследовании участвовали сотрудники и использовались объекты, поддерживаемые Лабораторией молекулярных наук об окружающей среде, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США, поддерживаемым программой биологических и экологических наук.
Вычислительные возможности поддержаны Тихоокеанской Северо-Западной национальной лабораторией.