Смешанный проводник - Mixed conductor

Оксид церия - мощный смешанный дирижер.[1]

Смешанные проводники, также известный как смешанные ионно-электронные проводники (МИЭК), однофазный материал, имеющий значительные проводимость ионно и в электронном виде.[1][2][3] Благодаря смешанной проводимости формально нейтральные частицы могут переноситься в твердый следовательно, разрешены массовое хранение и распространение. Смешанные проводники хорошо известны по сопряжению с высокотемпературная сверхпроводимость и способны быстро наращивать твердотельные реакции.

Они используются как катализаторы (для окисления), проницаемые мембраны, датчики, и электроды в батареи и топливные элементы, потому что они позволяют быстро передавать химические сигналы и проникать в химические компоненты.[3]

Титанат стронция (SrTiO3), оксид титана (TiO2), (La, Ba, Sr) (Mn, Fe, Co) O3-д, La2CuO4 + д, оксид церия (IV) (Исполнительный директор2), фосфат лития-железа (LiFePO4) и LiMnPO4 являются примерами смешанных проводников.[1]

Вступление

Материалы MIEC обычно нестехиометрический оксиды, многие из которых перовскит структуры с редкоземельные металлы на сайте А и переходные металлы на Б-сайте.[4] Замещение различных ионов в решетке такого оксида может привести к увеличению электронной проводимости за счет образования дыры и ввести ионную проводимость за счет образования кислородных вакансий.[4] Этот механизм известен как теория дефектов, согласно которой дефекты, подобные этим, предлагают дополнительные пути, способствующие быстрой диффузии.[5] Другие многообещающие материалы включают материалы с пирохлор, браунмиллерит, Ruddlesden-Popper, а ромбический K2NiF4структуры типа.[5]

Однако настоящие (однофазные) MIEC, которые совместимы с другими параметрами конструкции, может быть трудно найти, поэтому многие исследователи обратились к гетерогенным материалам MIEC (H-MIEC). H-MIEC - это композитная смесь двух фаз: одна для проводящих ионов, а другая для проводящих электронов или дырок.[6] Эти материалы желательны из-за возможности настройки их свойств для конкретных применений путем регулирования уровней концентрации для достижения оптимального переноса электронов и ионов.[7] Пористые H-MIEC также содержат третью фазу в виде пор, которые позволяют образовывать тройные фазовые границы (TPBs) между тремя фазами, которые обеспечивают высокую каталитическую активность.[7]

Приложения

ТОТЭ / SOEC

Схема твердооксидного топливного элемента. Обратите внимание, что материал катода должен проводить как ионы кислорода, так и электроны.

Современное состояние твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и электролизеры (SOEC) часто включают электроды из материалов MIEC. ТОТЭ уникальны среди топливных элементов тем, что отрицательно заряженные ионы (O2-) транспортируются из катод к анод через электролит, что делает катодные материалы MIEC критически важными для достижения высоких характеристик. Эти топливные элементы работают со следующей окислительно-восстановительной реакцией:

Анодная реакция: 2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−
Катодная реакция: O2 + 4e− → 2O2−
Общая реакция клетки: 2H2 + O2 → 2H2О

МИЭК любят лантан, стронций, кобальт, феррит (LSCF) часто являются предметом исследований современных 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 кислородных электродов (катодов) является H-MIEC LSM-YSZ, состоящий из лантан стронций манганит (LSM) проникли на Y2О3-допированный ZrO2 строительные леса.[9] LSM наночастицы осаждаются на стенках пористого каркаса из YSZ для обеспечения электронно-проводящего пути и высокой плотности TPB для протекания реакции восстановления.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c «Смешанные проводники». Институт Макса Планка твердотельных исследований. Получено 16 сентября 2016.
  2. ^ И. Рисс (2003). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применения». Ионика твердого тела. 157 (1–4): 1–17. Дои:10.1016 / S0167-2738 (02) 00182-0.
  3. ^ 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. Bibcode:2016Натура. 536..159C. Дои:10.1038 / природа19078. PMID  27510217.
  4. ^ а б Тераока, Ю. (январь 1988 г.). «Смешанная ионно-электронная проводимость оксидов типа перовскита La1 − xSrxCo1 − yFeyO3 − δ». Бюллетень материаловедения. 23: 51–58. Дои:10.1016/0025-5408(88)90224-3.
  5. ^ а б Сунарсо, Яка (15 июля 2008 г.). «Мембраны на основе керамики со смешанной ионно-электронной проводимостью (МИЭП) для разделения кислорода». Журнал мембрановедения. 320 (1–2): 13–41. Дои:10.1016 / j.memsci.2008.03.074.
  6. ^ Рис, I (февраль 2003 г.). «Смешанные ионно-электронные проводники - свойства материалов и применения». Ионика твердого тела. 157 (1–4): 1–17. Дои:10.1016 / S0167-2738 (02) 00182-0.
  7. ^ а б У 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.
  8. ^ Ленг, Юнджун (июль 2008 г.). «Разработка композитных катодов LSCF – GDC для низкотемпературных твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным электролитом GDC». Международный журнал водородной энергетики. 33 (14): 3808–3817. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2008.04.034.
  9. ^ а б Шолклаппер, Тал (2006). "Катоды твердооксидных топливных элементов с пропиткой LSM". Электрохимические и твердотельные буквы. 9 (8): A376 – A378. Дои:10.1149/1.2206011.