Un passo avanti nei conduttori ionici di ossido ad alte prestazioni con l'uso del rubidio

I conduttori di ioni ossido consentono il trasporto di ioni ossido (O²-) nelle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) che possono funzionare con vari combustibili diversi dall'idrogeno, tra cui gas naturale, biogas e persino alcuni idrocarburi liquidi. Questa flessibilità le rende particolarmente preziose per la transizione verso un'economia dell'idrogeno. Sebbene le SOFC abbiano un potenziale di trasformazione dal punto di vista della sostenibilità energetica, la loro adozione su larga scala è ancora ostacolata dal costo, dalla durata e dall'intervallo di temperatura di funzionamento. Per superare questi ostacoli, è necessario sviluppare migliori conduttori di ioni ossido e i ricercatori di tutto il mondo stanno sperimentando costantemente nuovi materiali con diverse composizioni chimiche. Il rubidio (Rb) potrebbe essere la chiave per ottenere conduttori ionici ossidati ad alte prestazioni?

Un team di ricercatori dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, guidato dal professor Masatomo Yashima del Dipartimento di Chimica della School of Science, ha cercato di rispondere a questa domanda. Utilizzando un approccio sistematico e completo, hanno studiato il potenziale non sfruttato del Rb come prossimo importante passo avanti nella tecnologia dei conduttori di ioni ossido. I risultati sono stati pubblicati online su Chemistry of Materials il 2 febbraio 2025.

Poiché ^{il Rb+} è uno dei cationi più grandi (secondo solo allo ione cesio), si prevede che gli ossidi cristallini contenenti Rb abbiano un reticolo più grande e un volume libero più ampio, il che potrebbe portare a una minore energia di attivazione per la conduttività degli ioni ossido. Sulla base di questa idea, i ricercatori hanno prima effettuato uno screening computazionale di 475 ossidi contenenti Rb, eseguendo calcoli energetici basati sulla valenza del legame. Hanno scoperto che gli ossidi di tipo palmierite, che hanno una struttura cristallina simile a quella del minerale naturale palmierite, presentano una barriera energetica relativamente bassa alla migrazione degli ioni ossido.

Considerando che diversi materiali contenenti bismuto (Bi) e ossidi contenenti molibdeno (Mo) hanno mostrato un'elevata conduttività degli ioni ossido in studi precedenti, il team ha selezionato _Rb5BiMo4O16 come candidato promettente. Per confermare la loro scelta, hanno condotto una serie di esperimenti, tra cui la sintesi del materiale, le misure di conducibilità, i test di stabilità chimica ed elettrica e le analisi dettagliate della composizione e della struttura cristallina. Hanno inoltre eseguito calcoli teorici e simulazioni di dinamica molecolare ab initio per esplorare i meccanismi alla base delle proprietà misurate.

I risultati sono stati molto promettenti. Yashima ha dichiarato: "Sorprendentemente, _Rb5BiMo4O16 ha mostrato un'elevata conducibilità ionica dell'ossido di 0,14 mS/cm a 300 °C, 29 volte superiore a quella della zirconia stabilizzata con ittrio a 300 °C e paragonabile ai principali conduttori ionici di ossido con frazioni tetraedriche simili". Il team di ricerca ha identificato diversi fattori che spiegano questa eccezionale conduttività degli ioni ossido. In primo luogo, i grandi atomi di Rb consentono una bassa energia di attivazione per la conduttività degli ioni ossido. La conduttività degli ioni ossido è ulteriormente potenziata dalla rotazione e dalla disposizione dei tetraedri di MoO₄ all'interno del reticolo cristallino. Inoltre, anche l'ampia vibrazione termica anisotropa degli atomi di ossigeno nel materiale contribuisce alla conduttività degli ioni ossido. Infine, la presenza di grandi bi-cationi con una coppia di elettroni solitari gioca un ruolo importante nell'abbassare l'energia di attivazione per la migrazione degli ioni ossido.

Un altro aspetto degno di nota di _Rb5BiMo4O16 è la sua stabilità alle alte temperature in varie condizioni, _{tra cui} il flusso di _CO2, il flusso di aria umida, il flusso di idrogeno umido al 5% in azoto e la stabilità a circa 21 °C in acqua. "La scoperta di ossidi contenenti Rb con elevata conduttività e stabilità potrebbe aprire una nuova strada per lo sviluppo di conduttori ionici ossidati", commenta Yashima. Ci aspettiamo che questi progressi portino a nuove applicazioni e mercati per il Rb e contribuiscano a ridurre la temperatura di esercizio e il costo delle celle a combustibile a ossidi solidi".

Ulteriori ricerche in quest'area potrebbero aprire la strada a migliori conduttori ossido-ionici in applicazioni energetiche sostenibili e in dispositivi come membrane di ossigeno, sensori di gas e catalizzatori".