Feineinstellung Chemie durch Dotieren mit Übergangsmetallen erzeugt Stabilität in Wismutoxid

Transistor ● Gehe auf SIMPLECLUB.DE/GO & werde #EinserSchüler (April 2019).

Anonim

ANSTO hat zu der von der Universität Sydney geleiteten Forschung beigetragen, bei der Übergangsmetalle in ein Polymorph von Bismutoxid auf der Suche nach mehr struktureller Stabilität dotiert wurden.

Kubische Hochtemperaturpolymorphie von Wismutoxid, & dgr; -Bi 2 O 3, ist der bekannteste Oxidionenleiter, aber sein enger Stabilitätsbereich (729-817 ° C), der nahe bei seiner Schmelztemperatur von 817 ° C liegt, schließt seine praktische Verwendung aus.

Eine große Kollaboration, geleitet von Professor Chris Ling und Dr. Julia Wind (im Rahmen ihrer Promotion) von der Universität Sydney mit Forschern von ANSTO und zwei anderen Universitäten, hat das Design und Verständnis für die komplexe Kristallstruktur und das Verständnis der Kristallstruktur erreicht Chemie hinter einer entsprechenden Struktur innerhalb des schnellionenleitenden Wismutoxids, das mit Chrom und Niob, Bi23CrNb3O45, dotiert ist.

Die Studie wurde in der Chemie der Materialien veröffentlicht.

Dr. Zhaoming Zhang von ANSTO (Bild unten rechts) stellte der Studie ihre Expertise in der Röntgenabsorptionsspektroskopie zur Verfügung.

Nieder- und Hochenergie-Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur- (XANES-) Daten wurden von den Röntgenstrahl- (SXR) und Röntgenabsorptionsspektroskopie- (XAS) Strahllinien bei dem australischen Synchrotron jeweils erhalten, und XANES-Daten mittlerer Energie von der '. Tender 'Beamline am Nationalen Synchrotronstrahlungsforschungszentrum (NSRRC) in Taiwan, die zur Klärung von Details der komplexen Überstruktur in Verbindung mit Neutronen-, Synchrotron-Röntgen- und Elektronenbeugung, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und Ab-initio-Rechnungen beigetragen hat.

"Die Spektroskopie ist in diesem Fall wegen der Vielfalt möglicher Oxidationszustände und lokaler Strukturen für die Übergangsmetall-Dotierstoffe sehr wichtig", sagte Zhang.

"XANES-Spektren liefern nicht nur Informationen über den Oxidationszustand der Metall-Dotierstoffe, sondern auch über die lokale Koordination und die Ortsgeometrie um sie herum, was für diese Untersuchung sehr informativ war."

In einem "normalen" Kristall wird der Kristall durch Wiederholen der Einheitszelle durch Translation entlang der 3 Richtungen des Raums aufgebaut.

Für modulierte Strukturen ist die Periodizität in mehr als drei Dimensionen. Wenn das Verhältnis der Modulationsperiode zur Einheitszellenlänge vernünftig ist, wird die Modulation als "angemessen" bezeichnet, andernfalls wird sie "inkommensurabel".

Da der Modulationsvektor ε sowohl mit der Art der Übergangsmetall-Dotierstoffe als auch mit dem Wismut-zu-Übergangsmetall-Verhältnis variiert, hatten die Forscher zwei unabhängige Variablen zur chemischen Abstimmung der Zusammensetzung auf der Suche nach einer entsprechenden ε =1/3 Struktur, die in Bi23CrNb3O45 gefunden wurde.

"Die Interpretation der Spektroskopiedaten war wegen der Komplexität der Überstruktur etwas schwierig. Die Ergebnisse bestätigten nicht nur die Anwesenheit von sechswertigem Chrom und fünfwertigem Niob in Bi23CrNb3O45, sondern informierten uns auch, dass jedes Niob von vier Sauerstoffatomen und Chrom durch vier Sauerstoffatome umgeben ist. "sagte Zhang.

In der Überstruktur sind die Sauerstoffatome um die Übergangsmetalle herum geordnet und bilden tetraedrische Cluster von NbO 6 -Oktaedern und isolierten CrO 4 -Tetraedern, die relativ ungeordnete Fluorit-artige Bereiche trennen, die die hohe Oxid-Ionen-Leitung erleichtern. (Siehe Kristallstruktur oben)

"Obwohl die Dotierung von Bismutoxid mit Seltenerdmetallen eine höhere Leitfähigkeit aufweist, können die übergangsmetalldotierten Wismutoxide eine bessere Langzeitstabilität bieten", sagte Zhang.

Während dies eine grundlegende Untersuchung war, ist Bismutoxid als Material von beträchtlichem Interesse, da seine beweglichen Sauerstoffdefekte als Ladungsträger in ionischen Vorrichtungen, wie Festoxidbrennstoffzellen, wirken können.

Im australischen Synchrotron ist im Rahmen der Br-GHT-Initiative eine neue, energieeffiziente XAS-Beamline geplant. "Sobald es gebaut ist, werden wir nicht mehr für XANES-Experimente mit mittlerer Energie nach Taiwan reisen müssen", sagte Zhang.

menu
menu