Смешанный проводник

Смешанные проводники , также известные как смешанные ионно-электронные проводники (MIEC), представляют собой однофазный материал, обладающий значительной проводимостью ионной и электронной . ^[1]^[2]^[3] Благодаря смешанной проводимости формально нейтральные частицы могут транспортироваться в твердом теле , и, следовательно, становится возможным массовое хранение и перераспределение. Смешанные проводники хорошо известны в сочетании с высокотемпературной сверхпроводимостью и способны проводить быстрые твердотельные реакции .

Они используются в качестве катализаторов (для окисления), проницаемых мембран , датчиков и электродов в батареях и топливных элементах , поскольку они позволяют быстро передавать химические сигналы и проникать в химические компоненты. ^[3]

Титанат стронция ( SrTiO ₃ ), диоксид титана ( TiO ₂ ), (La,Ba,Sr)(Mn,Fe,Co)O
_3−d , La2CuO
_4+d , оксид церия(IV) ( CeO ₂ ), фосфат лития-железа ( LiFePO ₄ ) и LiMnPO ₄ являются примерами смешанных проводников. ^[1]

Введение

Материалы MIEC, как правило, представляют собой нестехиометрические оксиды , многие из которых имеют перовскитную структуру с редкоземельными металлами в A-позиции и переходными металлами в B-позиции. ^[4] Замещение различных ионов в решетку такого оксида может привести к увеличению электронной проводимости за счет образования дырок и ввести ионную проводимость за счет развития кислородных вакансий. ^[4] Этот механизм известен как теория дефектов, которая утверждает, что подобные дефекты открывают дополнительные пути, способствующие быстрой диффузии. ^[5] Другие многообещающие материалы включают материалы со структурами пирохлора , браунмиллерита , Раддлсдена-Поппера и ромбической _{K 2} NiF _{4 .} структуры типа ^[5]

Однако найти настоящие (однофазные) MIEC, совместимые с другими параметрами конструкции, бывает сложно, поэтому многие исследователи обратились к гетерогенным материалам MIEC (H-MIEC). H-MIEC представляет собой сложную смесь двух фаз: одну для проводящих ионов, а другую для проводящих электронов или дырок. ^[6] Эти материалы желательны из-за возможности настраивать их свойства для конкретных применений, регулируя уровни концентрации для достижения оптимального транспорта электронов и ионов. ^[7] Пористые H-МИЭК также включают в себя третью фазу в виде пор, которые позволяют образовывать тройные фазовые границы (ТФГ) между тремя фазами, что обеспечивает высокую каталитическую активность. ^[7]

Приложения

ТОТЭ/СОЭК

Современные твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и электролизные элементы (SOEC) часто содержат электроды, изготовленные из материалов MIEC. ТОТЭ уникальны среди топливных элементов тем, что отрицательно заряженные ионы ( O ^2-) транспортируются от катода к аноду через электролит , что делает катодные материалы MIEC критически важными для достижения высоких характеристик. Эти топливные элементы работают по следующей окислительно-восстановительной реакции:

Анодная реакция : 2H ₂ + 2O ²⁻ → 2Н ₂ О + 4е ⁻

Катодная реакция : O ₂ + 4e ⁻ → 2О ²⁻

Общая реакция клетки : 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O.

MIEC, такие как феррит лантан-стронций-кобальт (LSCF), часто являются предметом современных исследований топливных элементов, поскольку они позволяют реакции восстановления происходить по всей площади поверхности катода, а не только на границе раздела катод/электролит. ^[8]

Одним из наиболее часто используемых материалов кислородного электрода (катода) является H-MIEC LSM-YSZ, состоящий из манганита лантана-стронция (LSM), пропитанного на _{Y 2} O _{3 .} , легированный _{ZrO 2} каркас ^[9] LSM Наночастицы осаждаются на стенках пористого каркаса YSZ, чтобы обеспечить путь электронной проводимости и высокую плотность TPB для протекания реакции восстановления. ^[9]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с «Смешанные проводники» . Институт Макса Планка по исследованию твердого тела . Проверено 16 сентября 2016 г.
^ И. Рисс (2003). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применение». Ионика твердого тела . 157 (1–4): 1–17. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00182-0 .
^ Jump up to: ^а ^б Чиа-Чин Чен; Лицзюнь Фу; Иоахим Майер (2016). «Синергетическое, сверхбыстрое накопление и удаление массы в искусственных смешанных проводниках». Природа . 536 (7615): 159–164. Бибкод : 2016Natur.536..159C . дои : 10.1038/nature19078 . ПМИД 27510217 . S2CID 54566214 .
^ Jump up to: ^а ^б Тераока, Ю. (январь 1988 г.). «Смешанная ионно-электронная проводимость оксидов типа перовскита La1−xSrxCo1−yFeyO3−δ». Бюллетень исследования материалов . 23 : 51–58. дои : 10.1016/0025-5408(88)90224-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Сунарсо, Джака (15 июля 2008 г.). «Мембраны на керамической основе со смешанной ионно-электронной проводимостью (MIEC) для разделения кислорода». Журнал мембранной науки . 320 (1–2): 13–41. дои : 10.1016/j.memsci.2008.03.074 .
^ Рисс, я (февраль 2003 г.). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применение». Ионика твердого тела . 157 (1–4): 1–17. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00182-0 .
^ Jump up to: ^а ^б Ву, Чжунлинь (декабрь 1996 г.). «Моделирование амбиполярных транспортных свойств композитных смешанных ионно-электронных проводников». Ионика твердого тела . 93 (1–2): 65–84. дои : 10.1016/S0167-2738(96)00521-8 . S2CID 51917796 .
^ Ленг, Юнджун (июль 2008 г.). «Разработка композитных катодов LSCF – GDC для низкотемпературных твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным GDC-электролитом». Международный журнал водородной энергетики . 33 (14): 3808–3817. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.04.034 .
^ Jump up to: ^а ^б Шолклаппер, Таль (2006). «Катоды топливных элементов с пропиткой LSM». Электрохимические и твердотельные буквы . 9 (8): А376–А378. дои : 10.1149/1.2206011 .

[MPG-1] Jump up to: ^а ^б ^с «Смешанные проводники» . Институт Макса Планка по исследованию твердого тела . Проверено 16 сентября 2016 г.

[Riess-2] И. Рисс (2003). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применение». Ионика твердого тела . 157 (1–4): 1–17. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00182-0 .

[Nature-3] Jump up to: ^а ^б Чиа-Чин Чен; Лицзюнь Фу; Иоахим Майер (2016). «Синергетическое, сверхбыстрое накопление и удаление массы в искусственных смешанных проводниках». Природа . 536 (7615): 159–164. Бибкод : 2016Natur.536..159C . дои : 10.1038/nature19078 . ПМИД 27510217 . S2CID 54566214 .

[:0-4] Jump up to: ^а ^б Тераока, Ю. (январь 1988 г.). «Смешанная ионно-электронная проводимость оксидов типа перовскита La1−xSrxCo1−yFeyO3−δ». Бюллетень исследования материалов . 23 : 51–58. дои : 10.1016/0025-5408(88)90224-3 .

[:3-5] Jump up to: ^а ^б Сунарсо, Джака (15 июля 2008 г.). «Мембраны на керамической основе со смешанной ионно-электронной проводимостью (MIEC) для разделения кислорода». Журнал мембранной науки . 320 (1–2): 13–41. дои : 10.1016/j.memsci.2008.03.074 .

[6] Рисс, я (февраль 2003 г.). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применение». Ионика твердого тела . 157 (1–4): 1–17. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00182-0 .

[:1-7] Jump up to: ^а ^б Ву, Чжунлинь (декабрь 1996 г.). «Моделирование амбиполярных транспортных свойств композитных смешанных ионно-электронных проводников». Ионика твердого тела . 93 (1–2): 65–84. дои : 10.1016/S0167-2738(96)00521-8 . S2CID 51917796 .

[8] Ленг, Юнджун (июль 2008 г.). «Разработка композитных катодов LSCF – GDC для низкотемпературных твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным GDC-электролитом». Международный журнал водородной энергетики . 33 (14): 3808–3817. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.04.034 .

[:2-9] Jump up to: ^а ^б Шолклаппер, Таль (2006). «Катоды топливных элементов с пропиткой LSM». Электрохимические и твердотельные буквы . 9 (8): А376–А378. дои : 10.1149/1.2206011 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]