Descoberta de condutores iónicos de óxido de alto desempenho utilizando rubídio
Os investigadores descobriram um material contendo rubídio com uma condutividade e estabilidade excepcionais que abre caminho para as células de combustível de óxido sólido da próxima geração
O rubídio poderá desempenhar o próximo papel fundamental nos condutores de iões de óxido. Investigadores do Instituto de Ciências de Tóquio descobriram um raro condutor de iões de óxido contendo rubídio (Rb), Rb₅BiMo₄O₁₆, com uma condutividade excecionalmente elevada. O seu desempenho superior, determinado por triagem computacional e experiências, deve-se a uma baixa energia de ativação e a caraterísticas estruturais como um grande volume livre e movimento tetraédrico. A sua estabilidade em várias condições oferece uma direção promissora para as células de combustível de óxido sólido e as tecnologias de energia limpa.
Os óxidos altamente condutores e estáveis que contêm Rb expandem as possibilidades de condutores sustentáveis de iões de óxido.
Institute of Science Tokyo
Os condutores de iões de óxido permitem o transporte de iões de óxido (O²-) em células de combustível de óxido sólido (SOFC) que podem funcionar com vários combustíveis para além do hidrogénio, incluindo o gás natural, o biogás e mesmo certos hidrocarbonetos líquidos. Esta flexibilidade torna-as particularmente valiosas para a transição para uma economia de hidrogénio. Embora as SOFC tenham um potencial transformador do ponto de vista da sustentabilidade energética, a sua adoção generalizada é ainda dificultada pelo seu custo, durabilidade e gama de temperaturas de funcionamento. Para ultrapassar estes obstáculos, é necessário desenvolver melhores condutores de iões de óxido, e os investigadores de todo o mundo estão constantemente a testar novos materiais com diferentes composições químicas. Poderá o rubídio (Rb) ser a chave para condutores iónicos de óxido de alto desempenho?
Uma equipa de investigadores do Instituto de Ciências de Tóquio (Science Tokyo), Japão, liderada pelo Professor Masatomo Yashima do Departamento de Química da Escola de Ciências, propôs-se responder a esta questão. Utilizando uma abordagem sistemática e abrangente, investigaram o potencial inexplorado do Rb como o próximo grande avanço na tecnologia de condutores de iões de óxido. As suas descobertas foram publicadas online na revista Chemistry of Materials em 2 de fevereiro de 2025.
Uma vez que o Rb+ é um dos maiores catiões (perdendo apenas para o ião césio), espera-se que os óxidos cristalinos contendo Rb tenham uma rede maior e um volume livre maior, o que poderia levar a uma energia de ativação mais baixa para a condutividade do ião óxido. Com base nesta ideia, os investigadores começaram por efetuar uma análise computacional de 475 óxidos contendo Rb, realizando cálculos de energia com base na valência das ligações. Descobriram que os materiais de óxido do tipo palmierite, que têm uma estrutura cristalina semelhante à do mineral natural palmierite, têm uma barreira de energia relativamente baixa para a migração de iões de óxido.
Considerando que vários materiais contendo bismuto (Bi) e óxidos contendo molibdénio (Mo) mostraram uma elevada condutividade de iões de óxido em estudos anteriores, a equipa selecionou o Rb5BiMo4O16 como um candidato promissor. Para confirmar a sua escolha, realizaram uma série de experiências, incluindo a síntese do material, medições de condutividade, testes de estabilidade química e eléctrica e análises detalhadas da composição e da estrutura cristalina. Efectuaram também cálculos teóricos e simulações de dinâmica molecular ab initio para explorar os mecanismos subjacentes às propriedades medidas.
Os resultados foram muito prometedores. Yashima afirmou: "Surpreendentemente, o Rb5BiMo4O16 apresentou uma elevada condutividade iónica de óxido de 0,14 mS/cm a 300 °C, que é 29 vezes superior à da zircónia estabilizada com ítrio a 300 °C e comparável à dos principais condutores iónicos de óxido com fracções tetraédricas semelhantes." A equipa de investigação identificou vários factores que explicam esta excecional condutividade de iões de óxido. Em primeiro lugar, os grandes átomos de Rb permitem uma baixa energia de ativação para a condutividade do ião óxido. Esta condutividade do ião óxido é ainda reforçada pela rotação e disposição dos tetraedros MoO₄ dentro da rede cristalina. Além disso, a grande vibração térmica anisotrópica dos átomos de oxigénio no material também contribui para a condutividade do ião óxido. Finalmente, a presença de grandes bi-cátions com um par de electrões solitários também desempenha um papel importante na redução da energia de ativação para a migração de iões óxido.
Outro aspeto notável do Rb5BiMo4O16 é a sua estabilidade a altas temperaturas em várias condições, incluindo o fluxo de CO2, o fluxo de ar húmido, o fluxo de hidrogénio húmido a 5% em azoto e a sua estabilidade a cerca de 21 °C em água. "A descoberta de óxidos contendo Rb com alta condutividade e alta estabilidade pode abrir um novo caminho para o desenvolvimento de condutores iónicos de óxido", comenta Yashima. "Esperamos que estes avanços conduzam a novas aplicações e mercados para o Rb e ajudem a baixar a temperatura de funcionamento e o custo das células de combustível de óxido sólido.
A continuação da investigação nesta área poderá abrir caminho a melhores condutores de iões de óxido em aplicações de energia sustentável, bem como em dispositivos como membranas de oxigénio, sensores de gás e catalisadores.
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