Rubidium pode ser o próximo jogador-chave nos condutores de íons de óxido. Pesquisadores do Institute of Science Tóquio descobriram um raro condutor de íons de óxido contendo Rubidium (RB), Rb₅bimo₄o₁₆, com condutividade excepcionalmente alta. Identificados através de triagem computacional e experimentos, seu desempenho superior decorre de baixa energia de ativação e características estruturais, como grande quantity livre e movimento tetraédrico. Sua estabilidade em várias condições oferece uma direção promissora para células de combustível de óxido sólido e tecnologias de energia limpa.
Os condutores de íons de óxido permitem que os íons óxidos (O²⁻) transportem em células de combustível de óxido sólido (SOFCs), que podem funcionar com diversos combustíveis além do hidrogênio, incluindo gás pure e biogás, e até certos hidrocarbonetos líquidos. Essa flexibilidade os torna particularmente valiosos durante a transição para uma economia de hidrogênio. Embora o SOFCS tenha potencial transformador do ponto de vista da sustentabilidade energética, sua adoção generalizada ainda é desafiada por seu custo, durabilidade e faixa de temperatura operacional. A superação desses obstáculos exige o desenvolvimento de melhores condutores de íons de óxido, e os pesquisadores do mundo estão constantemente experimentando novos materiais com diferentes composições químicas. O Rubidium (RB) poderia ser a chave para condutores de íons de óxido de alto desempenho?
Uma equipe de pesquisa do Institute of Science Tóquio (Science Tóquio), Japão, liderada pelo professor Masatomo Yashima, no Departamento de Química da Escola de Ciência, decidiu responder a essa pergunta. Eles exploraram o potencial inexplorado da RB como o próximo grande avanço no próximo grande avanço na tecnologia de condutores de íons de óxido por meio de uma abordagem sistemática e abrangente. Suas descobertas foram publicadas on-line em Química de Materiais em 2 de fevereiro de 2025.
Desde RB+ é um dos maiores cátions (perdendo apenas para o íon césio), espera-se que os óxidos contendo Rb cristalinos tenham uma treliça maior e volumes livres, potencialmente levando a menor energia de ativação para condutividade de íons de óxido. Com base nessa idéia, os pesquisadores realizaram uma triagem computacional de 475 óxidos contendo RB usando cálculos de energia baseados em valência de ligação. Eles descobriram que os materiais de óxido do tipo palmierita, que têm uma estrutura cristalina semelhante à palmierita mineral que ocorre naturalmente, exibia uma barreira de energia relativamente baixa para a migração de íons de óxido.
Considerando que vários materiais contendo os materiais que contêm bismuto (BI) e óxidos contendo molibdênio (MO) exibiram alta condutividade de íons de óxido em estudos anteriores, a equipe selecionou o RB5BIMO4O16 como um candidato promissor. Para validar sua seleção, eles conduziram uma série de experimentos, incluindo síntese de materials, medições de condutividade, testes de estabilidade química e elétrica e análises detalhadas de composição e estrutura cristalina. Eles também realizaram cálculos teóricos e ab initio Simulações de dinâmica molecular para explorar os mecanismos subjacentes por trás das propriedades medidas.
Os resultados foram altamente promissores. Como observa Yashima, “surpreendentemente, RB5BIMO4O16 exibiu uma alta condutividade de íons de óxido de 0,14 ms/cm a 300 ° C, 29 vezes maior que a da zircônia estabilizada por Yttria a 300 ° C e comparável aos principais condutores de íons de óxido com porções tetraédricas semelhantes. “Vários fatores foram identificados pela equipe de pesquisa para explicar essa condutividade excepcional de íons de óxido. condutividade de grandes bi cátions com um par solitário de elétrons também desempenha um papel importante na redução da energia de ativação para a migração de íons de óxido.
Outro aspecto notável do RB5BIMO4O16 é sua estabilidade em altas temperaturas sob várias condições, incluindo CO2 Fluxo, fluxo de ar úmido, hidrogênio úmido a 5% no fluxo de nitrogênio e sua estabilidade a cerca de 21 ° C em água. “A descoberta de óxidos contendo RB com alta condutividade e alta estabilidade pode abrir uma nova avenida para o desenvolvimento de condutores de íons de óxido”, comenta Yashima. “Esperamos que esses avanços levem a novas aplicações e mercados para RB, além de contribuir para diminuir a temperatura operacional e reduzir o custo das células de combustível de óxido sólido”.
Mais pesquisas nesse campo podem abrir o caminho para melhores condutores de íons de óxido em aplicações de energia focadas na sustentabilidade, bem como em dispositivos como membranas de oxigênio, sensores de gás e catalisadores.
