突破瓶颈——新型高氧离子电导率层状钙钛矿

听到有关化学的“导体”一词，大多数人会立即想到电子在材料中的运动。但是电子并不是唯一可以穿过材料的粒子。氧离子也可以。许多材料科学家和工程师目前正在寻找具有高氧化物离子电导率的材料。这种材料具有许多潜在的应用，特别是在开发环保技术方面。例如，氧化物离子导体可用于燃料电池，将清洁燃料(如氢气)直接转化为电能，或用于氧气分离膜，可用于捕获我们通过燃烧煤炭或化石燃料产生的二氧化碳的系统.

不幸的是，高氧化物离子电导率可以通过有限数量的材料结构族来实现。钙钛矿就是这样一种结构家族。钙钛矿和层状钙钛矿具有特殊的晶体结构，有时表现出出色的物理和化学性质。东京工业大学的 Masatomo Yashima 教授及其同事研究了一类层状钙钛矿，即 Dion-Jacobson 相，其中二维钙钛矿状“板”被一层碱金属离子堆叠和隔开，例如铯阳离子 (Cs+)。在他们发表在《自然通讯》上的论文中，Yashima 教授和他的同事解释了他们的动机：“已经对 Dion-Jacobson 相的电特性进行了大量研究，例如它们的质子、锂离子和钠离子传导。但是，没有关于氧化物的报告- Dion-Jacobson 相中的离子传导。"

在他们的研究中，科学家们首先使用键合价法筛选了 69 个潜在的 Dion-Jacobson 相。这种方法使他们能够计算每个 Dion-Jacobson 相中氧化物离子迁移的能垒，从中他们确定 CsBi2Ti2NbO10-δ(CBTN) 是一个有希望的候选者，因为它具有低能垒并且不含有昂贵的稀土元素。此外，他们制备了 CBTN 样品，发现 CBTN 的氧化物离子电导率高于许多其他氧化物离子导体，例如传统的氧化钇稳定氧化锆。

为了了解导致 CBTN 如此高的氧化物离子电导率的原因，科学家们分析了其晶体结构并观察了结构如何随温度变化。然后，他们使用 J-PARC 的超高分辨率中子衍射仪 SuperHRPD，确定了穿过晶格的几种可能路径，氧化物离子可以通过这些路径在高温下迁移。最重要的是，他们发现了一种新的机制，这似乎是导致氧化物离子电导率高的原因之一：温度升高会使氧空位出现，从而促进氧化物离子迁移。高温下结构中的大 Cs 阳离子和 Bi 离子的位移扩大了瓶颈，使氧化物离子迁移成为可能。

这项研究为寻找廉价的新型氧化物离子导体铺平了道路。基于这种氧化物离子传导机制，可以通过添加杂质(掺杂)改变 CBTN 的化学成分来提高 CBTN 族材料的氧化物离子传导性。“目前在这个新结构家族中发现高氧化物离子电导率，即 Dion-Jacobson 型 CsBi2Ti2NbO10-δ，以及引入的新的扩大瓶颈概念，可以促进基于 Dion-Jacobson 相的新型氧化物离子导体的设计，”Yashima 教授和他的同事总结道。这项研究的结果为许多新的应用开辟了可能性，这些应用将导致可持续的未来。事实上，目前的工作被选为编辑的亮点Nature Communications。