Dyrygent mieszany

Tlenek ceru jest silnym przewodnikiem mieszanym.

Przewodniki mieszane , znane również jako mieszane przewodniki jonowo-elektronowe (MIEC), to materiał jednofazowy, który ma znaczne przewodnictwo jonowe i elektroniczne . Ze względu na przewodzenie mieszane formalnie neutralne gatunki mogą transportować się w ciele stałym , a zatem możliwe jest masowe magazynowanie i redystrybucja. Przewodniki mieszane są dobrze znane w połączeniu z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym i są zdolne do pojemnościowania szybkich reakcji w stanie stałym .

Stosowane są jako katalizatory (do utleniania), membrany permeacyjne , czujniki i elektrody w bateriach i ogniwach paliwowych , ponieważ pozwalają na szybkie przekazywanie sygnałów chemicznych i przenikanie składników chemicznych.

Tytanian strontu ( SrTiO ₃ ), dwutlenek tytanu ( TiO ₂ ), (La,Ba,Sr)(Mn,Fe,Co)O
_3−d ,La2CuO
_4+d , tlenek ceru(IV) ( CeO ₂ ), żelazo litowe fosforan ( LiFePO ₄ ) i LiMnPO ₄ to przykłady przewodników mieszanych.

Wstęp

Materiały MIEC to zazwyczaj niestechiometryczne tlenki , z których wiele ma struktury perowskitu z metalami ziem rzadkich w miejscu A i metalami przejściowymi w miejscu B. Zastąpienie różnych jonów w sieci takiego tlenku może skutkować zwiększeniem przewodnictwa elektronowego poprzez tworzenie się dziur i wprowadzeniem przewodnictwa jonowego poprzez tworzenie luk tlenowych. Mechanizm ten jest znany jako teoria defektów, która mówi, że takie defekty oferują dodatkowe ścieżki sprzyjające szybkiej dyfuzji. Inne obiecujące materiały to m.in struktury typu pirochlor , brownmilleryt , Ruddlesden-Popper i rombowe K ₂ NiF _{4 .}

Jednak prawdziwe (jednofazowe) MIEC, które są kompatybilne z innymi parametrami projektowymi, mogą być trudne do znalezienia, dlatego wielu badaczy zwróciło się ku heterogenicznym materiałom MIEC (H-MIEC). H-MIEC to złożona mieszanina dwóch faz: jednej do przewodzenia jonów, a drugiej do przewodzenia elektronów lub dziur. Materiały te są pożądane ze względu na możliwość dostrojenia ich właściwości do określonych zastosowań poprzez dostosowanie poziomów stężenia w celu uzyskania optymalnego transportu elektronów i jonów. Porowate H-MIEC zawierają również trzecią fazę w postaci porów, które umożliwiają tworzenie trójfazowych granic (TPB) między trzema fazami, które zapewniają wysoką aktywność katalityczną.

Aplikacje

SOFC/SOEC

Schemat ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem. Należy zauważyć, że materiał katody musi przewodzić zarówno jony tlenu, jak i elektrony.

Obecne najnowocześniejsze ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) i ogniwa do elektrolizy (SOEC) często zawierają elektrody wykonane z materiałów MIEC. SOFC są wyjątkowe wśród ogniw paliwowych, ponieważ ujemnie naładowane jony (O ^2- ) są transportowane z katody do anody przez elektrolit , co sprawia, że materiały katodowe MIEC mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiej wydajności. Te ogniwa paliwowe działają z następującą reakcją utleniania-redukcji:

Reakcja anodowa : 2H ₂ + 2O ²⁻ → 2H ₂ O + 4e ⁻

Reakcja katodowa : O ₂ + 4e ⁻ → 2O ²⁻

Całkowita reakcja ogniwa : 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

MIEC, takie jak ferryt lantanowo-strontowo-kobaltowy (LSCF), są często przedmiotem nowoczesnych badań nad ogniwami paliwowymi, ponieważ umożliwiają zajście reakcji redukcji na całej powierzchni katody, a nie tylko na granicy faz katoda/elektrolit.

Jednym z najczęściej stosowanych materiałów na elektrody tlenowe (katody) jest H-MIEC LSM-YSZ, składający się z lantanu _i strontu, manganitu (LSM) infiltrowanego na rusztowanie ZrO2 _{domieszkowane}_Y2O3 . Nanocząsteczki LSM osadzają się na ściankach porowatego rusztowania YSZ, aby zapewnić elektronicznie przewodzącą ścieżkę i wysoką gęstość TPB dla zajścia reakcji redukcji.

Zobacz też