Condutor de íons rápido - Fast ion conductor
Na ciência dos materiais , os condutores de íons rápidos são condutores sólidos com íons altamente móveis . Esses materiais são importantes na área de iônicos de estado sólido e também são conhecidos como eletrólitos sólidos e condutores superiônicos . Esses materiais são úteis em baterias e vários sensores. Os condutores de íons rápidos são usados principalmente em células a combustível de óxido sólido . Como eletrólitos sólidos, eles permitem a movimentação de íons sem a necessidade de uma membrana líquida ou macia separando os eletrodos. O fenômeno se baseia no salto de íons através de uma estrutura cristalina rígida .
Mecanismo
Os condutores de íons rápidos são de natureza intermediária entre sólidos cristalinos que possuem uma estrutura regular com íons imóveis e eletrólitos líquidos que não têm estrutura regular e íons totalmente móveis. Eletrólitos sólidos são usados em todos os supercapacitores de estado sólido , baterias e células de combustível e em vários tipos de sensores químicos .
Classificação
Em eletrólitos sólidos (vidros ou cristais), a condutividade iônica Ω i pode ser qualquer valor, mas deve ser muito maior que a eletrônica. Normalmente, os sólidos onde Ω i é da ordem de 0,0001 a 0,1 Ohm −1 cm −1 (300 K) são chamados de condutores superiônicos.
Condutores de prótons
Os condutores de prótons são uma classe especial de eletrólitos sólidos, onde os íons de hidrogênio agem como portadores de carga. Um exemplo notável é a água superiônica .
Condutores Superionic
Os condutores superiônicos onde Ω i é maior que 0,1 Ohm −1 cm −1 (300 K) e a energia de ativação para o transporte de íons E i é pequena (cerca de 0,1 eV), são chamados de condutores superiônicos avançados . O exemplo mais famoso de eletrólito sólido condutor superiônico avançado é RbAg 4 I 5 onde Ω i > 0,25 Ohm −1 cm −1 e Ω e ~ 10 −9 Ohm −1 cm −1 a 300 K. O Hall (deriva) iônico a mobilidade em RbAg 4 I 5 é de cerca de 2 × 10 - 4 cm 2 / (V • s) à temperatura ambiente. O diagrama sistemático Ω e - Ω i distinguindo os diferentes tipos de condutores iônicos de estado sólido é dado na figura.
Nenhum exemplo claro foi descrito ainda, de condutores iônicos rápidos na classe hipotética de condutores superiônicos avançados (áreas 7 e 8 no gráfico de classificação). No entanto, na estrutura cristalina de vários condutores superiônicos, por exemplo, nos minerais do grupo perceita-polibasita, os grandes fragmentos estruturais com energia de ativação do transporte iônico E i < k B T (300 К) foram descobertos em 2006.
Exemplos
Materiais à base de zircônia
Um eletrólito sólido comum é a zircônia estabilizada com ítria , YSZ. Este material é preparado dopando Y 2 O 3 em ZrO 2 . Os íons de óxido normalmente migram apenas lentamente em Y 2 O 3 sólido e em ZrO 2 , mas em YSZ, a condutividade do óxido aumenta dramaticamente. Esses materiais são usados para permitir que o oxigênio se mova através do sólido em certos tipos de células a combustível. O dióxido de zircônio também pode ser dopado com óxido de cálcio para dar um condutor de óxido que é usado em sensores de oxigênio em controles de automóveis. Após dopar apenas alguns por cento, a constante de difusão do óxido aumenta por um fator de ~ 1000.
Outras cerâmicas condutoras funcionam como condutores de íons. Um exemplo é NASICON , (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ), um condutor superiônico de sódio
beta-alumina
Outro exemplo de um condutor iônico rápido popular é o eletrólito sólido de beta-alumina . Ao contrário das formas usuais de alumina , esta modificação tem uma estrutura em camadas com galerias abertas separadas por pilares. Os íons de sódio (Na + ) migram através deste material prontamente, uma vez que a estrutura do óxido fornece um meio ionofílico não redutível. Este material é considerado o condutor de íons de sódio para a bateria de sódio-enxofre .
Condutores de íon flúor
O trifluoreto de lantânio (LaF 3 ) é condutor de íons F - , usado em alguns eletrodos seletivos de íons . O fluoreto de chumbo beta exibe um crescimento contínuo da condutividade durante o aquecimento. Esta propriedade foi descoberta pela primeira vez por Michael Faraday .
Iodetos
Um exemplo clássico de um condutor de íon rápido é o iodeto de prata (AgI). Ao aquecer o sólido a 146 ° C, este material adota o alfa-polimorfo. Nesta forma, os íons iodeto formam uma estrutura cúbica rígida e os centros Ag + são fundidos. A condutividade elétrica do sólido aumenta em 4000x. Comportamento semelhante é observado para iodeto de cobre (I) (CuI), iodeto de rubídio prata (RbAg 4 I 5 ) e Ag 2 HgI 4 .
Outros materiais inorgânicos
- Sulfeto de prata , condutor de íons Ag + , usado em alguns eletrodos seletivos de íon
- Cloreto de chumbo (II) , condutor em altas temperaturas
- Algumas cerâmicas perovskita - titanato de estrôncio , estanato de estrôncio - condutor de íons O 2−
- - condutivo para íons H +
- (hidrogenofosfato de uranila tetra-hidratado) - condutor para íons H +
- Óxido de cério (IV) - condutor para íons O 2
Materiais orgânicos
- Muitos géis , como poliacrilamidas , ágar , etc., são condutores de íons rápidos
- Um sal dissolvido em um polímero - por exemplo, perclorato de lítio em óxido de polietileno
- Polielectrólitos e ionómeros - por exemplo Nafion , um H + condutoras
História
O caso importante de condução iônica rápida é aquele em uma camada de carga espacial superficial de cristais iônicos. Essa condução foi prevista pela primeira vez por Kurt Lehovec . Como uma camada de carga espacial tem espessura de nanômetro, o efeito está diretamente relacionado à nanoiônica (nanoiônica-I). O efeito de Lehovec é usado como base para o desenvolvimento de nanomateriais para baterias portáteis de lítio e células de combustível.