Rychlý iontový vodič - Fast ion conductor - Wikipedia

A protonový vodič ve statickém elektrické pole.

v věda o materiálech, rychlé iontové vodiče jsou pevné látky s vysokou mobilitou ionty. Tyto materiály jsou důležité v oblasti iontová fáze v pevné fázi, a jsou také známé jako pevné elektrolyty a superiontové vodiče. Tyto materiály jsou užitečné v bateriích a různých senzorech. Vodiče rychlých iontů se používají hlavně v palivové články na tuhý oxid. Jako pevné elektrolyty umožňují pohyb iontů bez nutnosti kapaliny nebo měkké membrány oddělující elektrody. Tento fenomén se spoléhá na skákání iontů prostřednictvím jinak tuhého Krystalická struktura.

Mechanismus

Vodiče rychlých iontů jsou v přírodě meziproduktu krystalický pevné látky, které mají pravidelnou strukturu s nepohyblivými ionty, a kapalina elektrolyty které nemají pravidelnou strukturu a plně mobilní ionty. Pevné elektrolyty nacházejí použití ve všech pevných skupinách superkondenzátory, baterie, a palivové články a v různých druzích chemické senzory.

Klasifikace

V pevných elektrolytech (sklenicích nebo krystalech) je iontová vodivost Ωi může mít jakoukoli hodnotu, ale měla by být mnohem větší než ta elektronická. Pevné látky jsou obvykle kde Ωi je řádově 0,0001 až 0,1 Ohm−1 cm−1 (300 K) se nazývají superiontové vodiče.

Protonové vodiče

Protonové vodiče jsou speciální třídou pevných elektrolytů, kde vodíkové ionty působí jako nosiče poplatků. Jeden pozoruhodný příklad je superiontová voda.

Superionické vodiče

Superionické vodiče, kde Ωi je více než 0,1 Ohm−1 cm−1 (300 K) a aktivační energie pro iontový transport Ei je malý (asi 0,1 eV), jsou volány pokročilé superionické vodiče. Nejznámějším příkladem pokročilého superiontového elektrolytu s pevným vodičem je RbAg4Já5 kde Ωi > 0,25 Ohm−1 cm−1 a ΩE ~10−9 Ohm−1 cm−1 při 300 K. The Hall (drift) iontová mobilita v RbAg4Já5 je asi 2×10−4 cm2/ (V • s) při pokojové teplotě.[1] ΩE - Ωi systematické schéma rozlišující různé typy iontových vodičů v pevné fázi je uvedeno na obrázku.[2][3]

Klasifikace iontových vodičů v pevné fázi podle lg (elektronická vodivost, ΩE) – lg (iontová vodivost, Ωi) diagram. Oblasti 2, 4, 6 a 8 jsou pevné elektrolyty (SE), materiály s Ωi >> ΩE; regiony 1, 3, 5 a 7 jsou smíšené vodiče iont-elektron (MIEC). 3 a 4 jsou superiontové vodiče (SIC), tj. Materiály s Ωi > 0,001 Ohm−1cm−1. 5 a 6 jsou pokročilé superiontové vodiče (AdSIC), kde Ωi > 10−1 Ohm−1cm−1 (300 K), aktivace energie Ei přibližně 0,1 eV. 7 a 8 jsou hypotetické AdSIC s Ei ≈ kBT ≈0,03 eV (300 К).

Dosud nebyly popsány žádné jasné příklady rychlých iontových vodičů v hypotetické třídě pokročilých superiontových vodičů (oblasti 7 a 8 v klasifikačním grafu). V krystalové struktuře několika superiontových vodičů, např. v minerálech skupiny pearceit-polybasit velké strukturní fragmenty s aktivační energií transportu iontů Ei < kBT (300 К) byl objeven v roce 2006.[4]

Příklady

Materiály na bázi zirkonia

Běžný pevný elektrolyt je ytriom stabilizovaný zirkon, YSZ. Tento materiál připravuje doping Y2Ó3 do ZrO2. Oxidové ionty typicky migrují jen pomalu v pevném Y2Ó3 a v ZrO2, ale v YSZ se vodivost oxidu dramaticky zvyšuje. Tyto materiály se používají k tomu, aby umožnily kyslíku pohybovat se pevnou látkou v určitých druzích palivových článků. Oxid zirkoničitý lze také dopovat oxid vápenatý dát oxidový vodič, který se používá v kyslíkové senzory v ovládání automobilu. Po dopování pouze několika procent se difúzní konstanta oxidu zvětší o faktor ~ 1000.[5]

Jiné vodivé keramika fungují jako iontové vodiče. Jedním z příkladů je NASICON, (Na3Zr2Si2PO12), sodíkový superiontový vodič

beta-oxid hlinitý

Dalším příkladem populárního vodiče rychlých iontů je pevný elektrolyt beta-oxidu hlinitého.[6] Na rozdíl od obvyklých formy oxidu hlinitého, tato modifikace má vrstvenou strukturu s otevřenými galeriemi oddělenými sloupy. Sodné ionty (Na+) migrují tímto materiálem snadno, protože oxidová kostra poskytuje ionofilní, neredukovatelné médium. Tento materiál je považován za sodíkový iontový vodič pro sodíkově-sírovou baterii.

Fluoridové iontové vodiče

Trifluorid lanthanitý (LaF3) je vodivý pro F− ionty, používané v některých iontově selektivní elektrody. Beta-olovo fluorid vykazuje kontinuální růst vodivosti při zahřívání. Tuto vlastnost poprvé objevil Michael Faraday.

Jodidy

Učebnicovým příkladem vodiče rychlých iontů je jodid stříbrný (AgI). Po zahřátí pevné látky na 146 ° C tento materiál přijímá alfa-polymorf. V této formě tvoří jodidové ionty tuhou kubickou kostru a centra Ag + jsou roztavená. Elektrická vodivost pevné látky se zvyšuje 4 000x. Podobné chování je pozorováno u jodid měďný (CuI), jodid stříbrný rubidia (RbAgI2) a Ag2HgI4.

Ostatní anorganické materiály

Organické materiály

Dějiny

Důležitým případem rychlého iontového vedení je povrchová vrstva iontových krystalů. Takové vedení nejprve předpověděl Kurt Lehovec.[10]Protože vrstva vesmírného náboje má tloušťku nanometru, je účinek přímo spojen s nanoionika (nanoionika-I). Lehovský efekt se používá jako základ pro rozvoj nanomateriály pro přenosné lithiové baterie a palivové články.

Viz také

Reference

  1. ^ Stuhrmann C.H.J .; Kreiterling H .; Funke K (2002). "Iontový Hallův efekt měřený v jodidu rubidia stříbrném". Ionika v pevné fázi. 154–155: 109–112. doi:10.1016 / S0167-2738 (02) 00470-8.
  2. ^ Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего. Современная Электроника (v ruštině) (7): 24–29.Alexander Despotuli; Alexandra Andreeva (2007). „Vysokokapacitní kondenzátory pro 0,5 nanoelektroniku budoucnosti“. Moderní elektronika (7): 24–29.
  3. ^ Despotuli, A.L .; Andreeva, A.V. (Leden 2009). „Krátký přehled nanoelektroniky s hlubokým sub-napětím a souvisejících technologií“. International Journal of Nanoscience. 8 (4&5): 389–402. Bibcode:2009IJN ..... 8..389D. doi:10.1142 / S0219581X09006328.
  4. ^ Bindi, L .; Evain M. (2006). „Charakter rychlého iontového vedení a iontové fázové přechody v neuspořádaných krystalech: komplexní případ minerálů skupiny pearceit - polybasit“. Phys Chem Miner. 33 (10): 677–690. Bibcode:2006PCM .... 33..677B. doi:10.1007 / s00269-006-0117-7. S2CID  95315848.
  5. ^ Shriver, D. F .; Atkins, P. W .; Overton, T. L .; Rourke, J. P .; Weller, M. T .; Armstrong, F. A. „Anorganic Chemistry“ W. H. Freeman, New York, 2006. ISBN  0-7167-4878-9.
  6. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-08-037941-8.
  7. ^ „Revoluce baterie typu roll-to-roll“. Ev World. Archivovány od originál dne 10.7.2011. Citováno 2010-08-20.
  8. ^ Perzyna, K .; Borkowska, R .; Syzdek, J. A .; Zalewska, A .; Wieczorek, W. A. ​​A. (2011). "Vliv přísady typu Lewisovy kyseliny na vlastnosti lithium-gelového elektrolytu". Electrochimica Acta. 57: 58–65. doi:10.1016 / j.electacta.2011.06.014.
  9. ^ Syzdek, J. A .; Armand, M .; Marcinek, M .; Zalewska, A .; Żukowska, G. Y .; Wieczorek, W. A. ​​A. (2010). "Podrobné studie o modifikaci plnidel a jejich vlivu na kompozitní polymerní elektrolyty na bázi poly (oxyethylenu)". Electrochimica Acta. 55 (4): 1314. doi:10.1016 / j.electacta.2009.04.025.
  10. ^ Lehovec, Kurt (1953). „Vrstva prostorového náboje a distribuce defektů mřížky na povrchu iontových krystalů“. Journal of Chemical Physics. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953JChPh..21.1123L. doi:10.1063/1.1699148.