Das neuartige Oxychlorid zeigt eine hohe Stabilität und Oxidionenleitung durch die interstitielle Sauerstoffstelle

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) sind eine vielversprechende Lösung für das gegenwärtige Problem der bevorstehenden globalen Energiekrise. SOFCs weisen einen hohen Wirkungsgrad, geringere Emissionen und niedrige Betriebskosten auf, was sie zu einer idealen Energiequelle für eine Gesellschaft ohne fossile Brennstoffe macht.

Herkömmliche SOFCs mit Elektrolyten aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) haben hohe Betriebstemperaturen (700 °C–1000 °C), und ihre weit verbreitete Einführung wurde durch ihre Abbauprobleme und hohen Kosten begrenzt. Daher besteht die Notwendigkeit, nach neuen Materialien zu suchen, die eine hohe Leitfähigkeit und Stabilität bei niedrigen Temperaturen (100 °C–300 °C) aufweisen. Während einige Wismut(Bi)-haltige Materialien durch den herkömmlichen Leerstellendiffusionsmechanismus hohe Oxidionenleitfähigkeiten aufweisen, sind sie unter reduzierten Atmosphären nicht sehr stabil. Als Alternative hat der Einlagerungsmigrationsmechanismus, der die Anstoßbewegung von Einlagerungs- und Gitteroxidionen beinhaltet, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie werden jedoch selten in Bi-haltigen Materialien beobachtet.

Ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Prof. Masatomo Yashima vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hat die Köpfe zusammengesteckt, um eine Lösung für diese Probleme zu finden. In ihrem jüngsten Durchbruch, veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialienberichtete das Team über eine neue Bi-haltige Verbindung, LaBi1.9Te0.1O4.05Cl, bei der die Oxidionen über den Einlagerungsmechanismus wandern. Das Team zeigte, dass LaBi1.9Te0.1O4.05Cl sowohl eine hohe Stabilität als auch eine hohe Oxidionenleitfähigkeit aufweist, die bei niedrigen Temperaturen (unter 201 °C) selbst den besten Oxidionenleitern überlegen ist.

Auf die Frage, wie das Team LaBi1.9Te0.1O4.05Cl entdecken konnte, erklärt Prof. Yashima: „Die meisten bekannten Bi-haltigen Materialien weisen eine hohe Oxidionenleitfähigkeit über den herkömmlichen Leerstellendiffusionsmechanismus auf. Der alternative Mechanismus, die Interstitialitätsdiffusion, ist selten in diesen Materialien. Daher haben wir speziell nach Bi-haltigen Materialien mit interstitiellen Sauerstoffstellen gesucht, die die Diffusion der Zwischengitterplätze ermöglichen könnten.“

Die interstitielle Sauerstoffstelle bezieht sich auf den leeren Raum innerhalb einer Kristallstruktur, den die Oxidionen teilweise einnehmen. Die Gruppe von Prof. Yashima wählte ein Bi-haltiges Sillén-Oxychlorid, LaBi2O4Cl, mit einer dreifachen fluoritähnlichen Schicht aus, um das Vorhandensein solcher interstitieller Sauerstoffstellen sicherzustellen. Anschließend ersetzten sie das Bi3+-Kation in der Sillén-Phase LaBi2O4Cl teilweise durch einen hochvalenten Dotierstoff, das Tellur(Te)-Kation Te4+, um die Menge an interstitiellen Sauerstoffatomen (x/2) in LaBi2–xTexO4+x/2Cl zu erhöhen. Die chemische Zusammensetzung LaBi1.9Te0.1O4.05Cl (x = 0.1 in LaBi1–xTexO4+x/2Cl) wurde dann für detaillierte experimentelle und rechnerische Studien ausgewählt, da die Bulk-Leitfähigkeit von LaBi1.9Te0.1O4.05Cl die höchste war denen aller anderen Zusammensetzungen, dh LaBi2–xTexO4+x/2Cl (0 ≤ x ≤ 0,2).

Das Team fand heraus, dass LaBi1.9Te0.1O4.05Cl eine hohe chemische und elektrische Stabilität bei 400 °C in einem breiten Sauerstoffpartialdruckbereich zwischen 10−25 bis 0,2 atm sowie eine hohe chemische Stabilität in CO2, nassem H2 in N2 aufweist , und Luft mit natürlicher Feuchtigkeit. Darüber hinaus zeigte LaBi1.9Te0.1O4.05Cl eine hohe Oxidionenleitfähigkeit von 2,0 × 10 –2 S cm –1 bei 702 °C. Die Volumenleitfähigkeit des Materials war bei Temperaturen zwischen 96 °C und 201 °C deutlich höher als die der besten Oxidionenleiter wie Bi2V0,9Cu0,1O5,35.

Um den Mechanismus aufzuklären, der der hohen Oxidionenleitung zugrunde liegt, führte das Team Neutronenbeugungsexperimente, Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen und DFT-Rechnungen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die extrem hohe Oxidionenleitung durch eine Zwischengitterwanderung von Oxidionen durch die Gitter- und Zwischengitterplätze erklärt wird, was bei Bi-haltigen Materialien selten vorkommt.

Die Entdeckung der hohen Oxidionenleitfähigkeit zusammen mit der hohen chemischen und elektrischen Stabilität von LaBi1.9Te0.1O4.05Cl und des einzigartigen Mechanismus, der der hohen Leitfähigkeit zugrunde liegt, wird die Tür für weitere Forschungen zu Bi-haltigen Verbindungen und Sillén-Phasen und schließlich zu öffnen Hochleistungs-SOFC-Elektrolyte bei niedrigen Temperaturen.

„Es gab Studien zur Photokatalyse und Lumineszenz von Sillén-Phasen in der Forschungsliteratur. In unserer Studie haben wir nun gezeigt, dass Bi-haltige Sillén-Oxychloride auch als vielversprechende Elektrolyte für SOFCs fungieren und zur Brennstoffzellen-Revolution beitragen könnten“, schließt sie Prof. Yashima.