铷可能成为氧化物离子导体的下一个关键参与者。东京科学研究所的研究人员发现了一种罕见的含铷（Rb）的氧化物离子导体，其导电性异常高。通过计算筛选和实验确定的，其优越的性能源自低激活能和如大自由体积及四面体运动等结构特征。在各种条件下的稳定性为固体氧化物燃料电池和清洁能源技术提供了一个有前景的方向。
氧化物离子导体使氧化物离子（O²⁻）能够在固体氧化物燃料电池（SOFCs）中运输，能够使用多种燃料，不仅限于氢气，包括天然气、生物气体，甚至某些液态烃。这种灵活性使它们在向氢经济过渡的过程中尤为宝贵。尽管SOFCs从能源可持续性的角度具有变革潜力，但它们的广泛应用仍面临成本、耐用性和工作温度范围等挑战。克服这些障碍需要开发更好的氧化物离子导体，全球的研究人员不断尝试不同化学成分的新材料。铷（Rb）能否成为高性能氧化物离子导体的关键？
来自日本东京科学研究所（Science Tokyo）的一个研究团队由化学系的山岛雅人教授领导，着手回答这个问题。他们通过系统而全面的方法探索铷作为氧化物离子导体技术下一重大进展的未开发潜力。他们的研究结果于2025年2月2日在线发表在《材料化学》上。
由于Rb⁺是最大的一类阳离子之一（仅逊于铯离子），含铷的晶体氧化物预计将具有更大的晶格和自由体积，从而可能导致氧化物离子导电性的低激活能。基于这个想法，研究人员首先对475种含铷的氧化物进行了基于键价能量计算的计算筛选。他们发现，棕榈石型氧化物材料，其晶体结构与自然存在的矿物棕榈石相似，表现出相对较低的氧化物离子迁移能量屏障。
考虑到在以前的研究中，几种含铋（Bi）的材料和含钼（Mo）的氧化物表现出高氧化物离子导电性，研究团队选择了Rb₅BiMo₄O₁₆作为有前景的候选材料。为了验证他们的选择，他们进行了系列实验，包括材料合成、导电性测量、化学和电气稳定性测试，以及详细的成分和晶体结构分析。他们还进行了理论计算和从头算分子动力学模拟，以探索测量特性背后的基本机制。
结果非常令人鼓舞。山岛表示：“令人惊讶的是，Rb₅BiMo₄O₁₆在300℃下表现出0.14 mS/cm的高氧化物离子导电性，这比300℃下的Y₂O₃稳定的锆石高出29倍，并且与具有类似四面体单元的领先氧化物离子导体相当。”研究团队确定了几个因素来解释这种卓越的氧化物离子导电性。首先，大铷原子有助于氧化离子导电性的低激活能。这种氧化物离子导电性因MoO₄四面体在晶体晶格内的旋转和排列而进一步增强。此外，材料中氧原子的各向异性大热振动也有助于氧化物离子导电性。最后，含有孤对电子的大型铋离子的存在对降低氧化物迁移的激活能也起到了重要作用。
Rb₅BiMo₄O₁₆的另一个显著特点是在高温下的稳定性，包括在CO₂流、潮湿空气流、潮湿的5%氢气在氮气流中的稳定性，以及在水中约21℃的稳定性。山岛评论道：“发现具有高导电性和高稳定性的含铷氧化物可能为氧化物离子导体的发展开辟了新的途径。”他补充说：“我们期望这些进展将为铷开辟新的应用和市场，并有助于降低固体氧化物燃料电池的操作温度和减少成本。”
在该领域的进一步研究可能为可持续能源应用中更好的氧化物离子导体铺平道路，以及在氧气膜、气体传感器和催化剂等设备中的应用。
