新型含铷材料具有优异的导电性和稳定性 可用于燃料电池

盖世汽车讯 铷可能是氧离子导体（oxide-ion conductors）中的下一个关键角色。据外媒报道，东京科学大学（Institute of Science Tokyo）的研究人员发现含稀有铷元素的氧离子导体Rb5BiMo4O16，其具有卓越的导电性。

（图片来源：东京科学大学）

经计算筛选与实验证实，这种材料卓越的性能源自低活化能和结构特征，比如较大的自由体积和四面体运动。它在各种条件下具有稳定性，为固体氧化物燃料电池和清洁能源技术提供了富有前景的方向。

氧离子导体使氧离子（O2-）能够在固体氧化物燃料电池（SOFC）中传输。除了氢气，这种电池可以使用多种燃料，包括天然气、沼气，甚至是某些液态碳氢化合物。在向氢经济转型期间，这种灵活性使它们特别有价值。

虽然从能源可持续性的角度来看，SOFC具有变革性潜力，但由于成本、耐久性和工作温度范围，它们的广泛采用仍受到挑战。解决这些问题需要开发更好的氧离子导体，全球研究人员不断尝试具有不同化学成分的新材料。那么，铷（rb）是实现高性能氧离子导体的关键吗？由科学院化学系Masatomo Yashima教授领导的团队尝试回答这个问题。

研究人员通过系统和全面的方法来探索Rb尚未开发的潜力，以实现氧离子导体技术的下一个重大进展。由于Rb+是最大的阳离子之一（仅次于铯离子），预计含Rb的晶体氧化物具有更大的晶格和自由体积，可能导致氧离子电导率所需的活化能降低。基于这一想法，研究人员首先使用键价基能量计算对475种含Rb氧化物进行计算筛选。他们发现，棕榈石（palmierite）型氧化物材料具有类似于天然棕榈石矿物的晶体结构，对氧离子迁移表现出相对较低的能垒。

考虑到在之前的研究中，几种含铋（bi）的材料和含钼（mo）的氧化物表现出较高的氧离子电导率，该团队选择Rb5BiMo4O16作为富有前景的候选材料。为了验证自己的选择，他们进行了一系列的实验，包括材料合成、电导率测量、化学和电稳定性测试，以及详细的组成和晶体结构分析。研究人员还进行理论计算和从头开始的分子动力学模拟，以探索被测量属性背后的潜在机制。

研究结果富有前景。Yashima表示：“令人惊讶的是，Rb5BiMo4O16在300℃时表现出0.14 mS/cm的高氧离子电导率，比300℃时人钇稳定氧化锆高29倍，可与具有类似四面体部分的先进氧离子导体相媲美。”

该团队确定了若干种因素来解释这种特殊的氧离子电导率。首先，大Rb原子有利于形成活化能，以实现氧离子电导率。通过MoO4四面体在晶格内的旋转和排列，氧离子电导率进一步增强。此外，这种材料中氧原子的各向异性大热振动，也有助于实现氧离子的导电性。最后，具有孤对电子的大Bi阳离子的存在，也在降低氧离子迁移的活化能方面起着重要作用。

Rb5BiMo4O16的另一个卓越方面是其在各种高温条件下具有稳定性，包括CO2流、湿空气流、含5%湿氢的氮气流，以及在水中约21℃时的稳定性。

Yashima表示：“此次发现具有高导电性和高稳定性的含Rb氧化物，可能为开发氧离子导体开辟了新途径。我们希望这些进展将为Rb带来新的应用和市场，并有助于降低固体氧化物燃料电池的操作温度和成本。”

该领域的进一步研究有助于实现更好的氧离子导体，以用于可持续发展能源应用，以及氧膜、气体传感器和催化剂等设备。