Prijeđite na glavni sadržaj

Povećanje vodljivosti natrijevih iona u fosfatnim staklima dodatkom WO3 i MoO3: učinak miješanja klasičnog i uvjetnog staklotvorca

1.6.2021.

Znanstvenici Instituta Ruđer Bošković, doktorandica Sanja Renka, dr. sc. Luka Pavić, prof. Andrea Moguš-Milanković i dr. sc. Ana Šantić u suradnji s dr. sc. Grégory-em Tricot-om sa Sveučilišta u Lilleu te prof. Petrom Mošnerom i prof. Ladislavom Koudelkom sa Sveučilišta u Pardubicama otkrili su da dodatak prijelaznih metalnih oksida WO3 i MoO3 značajno povećava mobilnost iona natrija u fosfatnim staklima čime su proširene dosadašnje spoznaje o učinku miješanih staklotvoraca na ionsku vodljivost u staklima.

Povećanje vodljivosti natrijevih iona u fosfatnim staklima dodatkom WO3 i MoO3: učinak miješanja klasičnog i uvjetnog staklotvorca

Istraživanje je provedeno u okviru istraživačkog projekta Hrvatske zaklade za znanost POLAR-ION-GLASS IP-2018-01-5425, a rezultati su objavljeni u radu „A significant enhancement of sodium ion conductivity in phosphate glasses by addition of WO3 and MoO3: the effect of mixed conventional-conditional glass-forming oxides“ koji je odabran kao 2021 HOT article u znanstvenom časopisu Physical Chemistry Chemical Physics (IF=3.430).

Ionski vodljiva oksidna stakla posljednjih se godina intenzivno istražuju kao elektrolitni materijali u elektrokemijskim uređajima posebice čvrstim baterijama. Mogućnost variranja sastava, a time i prilagođavanja fizikalnih svojstava, te dobra mehanička i kemijska stabilnost, izostanak mikrostrukturnih učinaka granice zrna, izotropna svojstva i relativno jednostavna priprava čine ih dobrim kandidatima za ovu uporabu. Ionska je vodljivost u ovim materijalima posljedica difuzije mobilnih iona, najčešće alkalijskih ili srebrovih iona, kroz strukturnu mrežu stakla te ovisi o koncentraciji i pokretljivosti iona.

Međutim, na pokretljivost također utječu i privlačne interakcije iona s anionskim strukturnim jedinicama u mreži stakla. Drugim riječima, ionski transport u oksidnim staklima snažno je povezan sa strukturom stakla. Ova se sprega najbolje opaža u pojavi koja se naziva učinak miješanih staklotvoraca (engl. Mixed Glass Former Effect). Naime, iz literature je poznato da se ionska vodljivost mnogih sustava s dva ili više staklotvorna oksida poput P2O5, B2O3, GeO2 i SiO2 mijenja nemonotono dosežući maksimum kada se jedan staklotvorac postepeno zamjenjuje drugim, a koncentracija alkalijskih iona ostaje konstantna. Porast vodljivosti razlikuje se od sustava do sustava potvrđujući da je priroda ove pojave povezana s promjenama strukturnih jedinica i njihove međusobne povezanosti u mreži stakla.

Novi učinak miješanja klasičnog i uvjetnog staklotvorca

U ovom istraživanju ispitivali smo promjene električnih svojstava u natrijevim fosfatnim staklima do kojih dolazi dodatkom prijelaznih metalnih oksida WO3 i MoO3 koji nisu klasični staklotvorci. Sami ne tvore staklo, međutim u kombinaciji s klasičnim staklotvorcem tvore stakla u širokom sastavu što ih svrstava u uvjetne staklotvorce. Naši su rezultati pokazali da se postepenom zamjenom klasičnog staklotvorca (P2O5) uvjetnim staklotvorcem (WO3 i MoO3) također postiže nemonotona promjena ionske vodljivosti s maksimalnim povećanjem od tri (sustav s MoO3) do četiri (sustav s WO3) reda veličine.

Istraživanjem strukture stakala 31P MAS NMR spektroskopijom pokazali smo da je ovo izrazito povećanje pokretljivosti natrijevih iona direktno povezano s nastajanjem miješanih fosfatno-volframskih tj. fosfatno-molibdenskih strukturnih jedinica koje pogoduju difuziji Na+ iona kroz mrežu stakla. Ovaj rezultat po prvi put otkriva da učinak miješanih staklotvoraca nije ograničen samo na klasične staklotvorce već se isti može postići i dodatkom uvjetnog staklotvorca. Štoviše, dobiveno povećanje vodljivosti u staklima koja sadrže WO3 veće je od povećanja u sustavima stakala s miješanim klasičnim staklotvorcima.

Važnost rezultata istraživanja za praktičnu primjenu

Rezultati ovih istraživanja otvaraju nove pravce za poboljšanje i optimizaciju električnih svojstava oksidnih stakala kroz relativno jednostavnu promjenu sastava i strukture. Dobiveno povećanje vodljivosti natrijevih iona dodatkom prijelaznih metalnih oksida značajan je korak u razvoju staklenih elektrolita, međutim važno je naglasiti da ovi rezultati pridonose i razvoju materijala s miješanom ionsko-elektronskom vodljivosti koji nalaze široku primjenu u različitim modernim elektrokemijskim uređajima.

Naime, prijelazni metalni oksidi kao što su WO3 i MoO3 i sami mogu aktivno doprijeniti električnoj vodljivosti stakala preko prijenosa elektrona koji se odvija između iona prijelaznog metala u različitim oksidacijskim stanjima stvarajući elektronsku (polaronsku) vodljivost. Iako je u ovom istraživanju doprinos elektronske vodljivosti zanemariv zbog malog udjela W5+ i Mo5+ iona, a povećanje vodljivosti isključivo je posljedica povećane pokretljivosti natrijevih iona, ovi rezultati daju smjernice za razvoj miješanih ionsko-polaronskih stakala kod kojih se doprinosi ionske i polaronske vodljivosti mogu lako prilagođavati.

Ovo je svojstvo od posebne važnosti za primjenu stakala kao elektrodnih materijala u čvrstim baterijama budući da oba tipa vodljivosti, i ionska i elektronska, imaju važnu ulogu u brzom i učinkovitom električnom transportu u elektrodi.

Ova stranica koristi kolačiće

neki od tih kolačića nužni su za ispravno funkcioniranje stranice, dok se drugi koriste za praćenje korištenja stranice radi poboljšanja korisničkog iskustva.

Za više informacija pogledajte naše uvjete korištenja.

  • Kolačići koji su nužni za ispravno funkcioniranje stranice. Moguće ih je onemogućiti u postavkama preglednika.