फास्ट आयन कंडक्टर

एक स्थिर विद्युत क्षेत्र में एक प्रोटॉन कंडक्टर, विशेष रूप से, सुपरियोनिक बर्फ।

सामग्री विज्ञान में, तेज़ आयन कंडक्टर अत्यधिक मोबाइल आयनों के साथ ठोस विद्युत कंडक्टर होते हैं। ये सामग्री ठोस अवस्था आयनिक के क्षेत्र में महत्वपूर्ण हैं, और इन्हें ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स और सुपरियोनिक कंडक्टर के रूप में भी जाना जाता है। ये सामग्री बैटरी और विभिन्न सेंसर में उपयोगी हैं। फास्ट आयन कंडक्टर मुख्य रूप से ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं में उपयोग किए जाते हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में वे इलेक्ट्रोड को अलग करने वाले तरल या नरम झिल्ली की आवश्यकता के बिना आयनों की गति की अनुमति देते हैं। घटना अन्यथा कठोर क्रिस्टल संरचना के माध्यम से आयनों के hopping पर निर्भर करती है।

तंत्र

फास्ट आयन कंडक्टर क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों के बीच प्रकृति में मध्यवर्ती होते हैं, जिनमें स्थिर आयनों के साथ एक नियमित संरचना होती है, और तरल इलेक्ट्रोलाइट्स जिनके पास कोई नियमित संरचना नहीं होती है और पूरी तरह से मोबाइल आयन होते हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स सभी ठोस-अवस्था supercapacitor , बैटरी (बिजली), और ईंधन सेल, और विभिन्न प्रकार के रासायनिक सेंसरों में उपयोग पाते हैं।

वर्गीकरण

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स (चश्मा या क्रिस्टल) में, आयनिक चालकता Ω_i कोई भी मूल्य हो सकता है, लेकिन यह इलेक्ट्रॉनिक से बहुत बड़ा होना चाहिए। आमतौर पर ठोस जहां Ω_i 0.0001 से 0.1 ओम के क्रम में है^{-1</उप> सेमी−1 (300 K) को सुपरियोनिक कंडक्टर कहा जाता है।}

प्रोटॉन कंडक्टर

प्रोटॉन कंडक्टर ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का एक विशेष वर्ग है, जहां हाइड्रोजन आयन आवेश वाहक के रूप में कार्य करते हैं। एक उल्लेखनीय उदाहरण सुपरियोनिक पानी है।

सुपरियोनिक कंडक्टर

सुपरियोनिक कंडक्टर जहां Ω_i 0.1 ओम से अधिक है^{-1</उप> सेमी-1 (300 K) और आयन परिवहन E के लिए सक्रियण ऊर्जा_i छोटा है (लगभग 0.1 eV), उन्नत सुपरियोनिक कंडक्टर कहलाते हैं। उन्नत सुपरियोनिक कंडक्टर-ठोस इलेक्ट्रोलाइट का सबसे प्रसिद्ध उदाहरण रुबिडियम सिल्वर आयोडाइड | RbAg है₄I₅जहां Ω_i > 0.25 ओम-1</उप> सेमी-1 और Ω_e ~10−9 ओम-1</उप> सेमी-1 300 K पर। RbAg में हॉल (बहाव) आयनिक गतिशीलता₄I₅ लगभग 2 है×10−4 सेमी2/(V•s) कमरे के तापमान पर। Ω_e - ओह_i विभिन्न प्रकार के ठोस-अवस्था आयनिक संवाहकों को अलग करने वाला व्यवस्थित आरेख चित्र में दिया गया है।}

एलजी द्वारा ठोस-अवस्था आयनिक कंडक्टरों का वर्गीकरण (इलेक्ट्रॉनिक चालकता, Ω_e) - एलजी (आयनिक चालकता, Ω_i) आरेख। क्षेत्र 2, 4, 6 और 8 ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स (एसई), Ω वाली सामग्री हैं_i >> ओह_e; क्षेत्र 1, 3, 5 और 7 मिश्रित आयन-इलेक्ट्रॉन कंडक्टर (MIECs) हैं। 3 और 4 सुपरियोनिक कंडक्टर (एसआईसी) हैं, यानी Ω वाली सामग्री_i > 0.001 ओम^-1सेमी^-1. 5 और 6 उन्नत सुपरियोनिक कंडक्टर (AdSICs) हैं, जहां Ω_i > 10^{−1</सुप> ओम-1सेमी-1 (300 के), ऊर्जा सक्रियण ई_i लगभग 0.1 ईवी। 7 और 8 ई ≈ k के साथ काल्पनिक AdSIC हैं_Bटी ≈0.03 ईवी (300 के)।}

काल्पनिक उन्नत सुपरियोनिक कंडक्टर वर्ग (वर्गीकरण प्लॉट में क्षेत्र 7 और 8) में फास्ट आयन कंडक्टरों का कोई स्पष्ट उदाहरण अभी तक वर्णित नहीं किया गया है। हालांकि, कई सुपरियोनिक कंडक्टरों की क्रिस्टल संरचना में, उदा। पियर्साइट-पॉलीबासाइट समूह के खनिजों में, आयन परिवहन Ei <k की सक्रियता ऊर्जा के साथ बड़े संरचनात्मक टुकड़े_BT (300 K) को 2006 में खोजा गया था।

उदाहरण

ज़िरकोनिया-आधारित सामग्री

एक सामान्य ठोस इलेक्ट्रोलाइट येट्रिया-स्थिर जिरकोनिया, YSZ है। यह सामग्री डोपिंग (अर्धचालक) वाई द्वारा तैयार की जाती है₂O₃ जिरकोनियम डाइऑक्साइड में | ZrO₂. ऑक्साइड आयन आमतौर पर ठोस Y में धीरे-धीरे ही माइग्रेट करते हैं₂O₃ और ZrO में₂, लेकिन YSZ में, ऑक्साइड की चालकता नाटकीय रूप से बढ़ जाती है। इन सामग्रियों का उपयोग ऑक्सीजन को कुछ प्रकार के ईंधन कोशिकाओं में ठोस के माध्यम से स्थानांतरित करने की अनुमति देने के लिए किया जाता है। ऑटोमोबाइल नियंत्रण में प्राणवायु संवेदक में उपयोग किए जाने वाले ऑक्साइड कंडक्टर देने के लिए ज़िरकोनियम डाइऑक्साइड को कैल्शियम ऑक्साइड से भी डोप किया जा सकता है। केवल कुछ प्रतिशत डोपिंग करने पर, ऑक्साइड का प्रसार स्थिरांक ~ 1000 के कारक से बढ़ जाता है। अन्य प्रवाहकीय सिरेमिक आयन कंडक्टर के रूप में कार्य करते हैं। एक उदाहरण NASICON है, (Na₃Zr₂और₂बाद₁₂), एक सोडियम सुपर-आयनिक कंडक्टर

बीटा-एल्युमिना

लोकप्रिय फास्ट आयन कंडक्टर का एक और उदाहरण बीटा-एल्यूमिना ठोस इलेक्ट्रोलाइट है। सामान्य एल्यूमीनियम ऑक्साइड # संरचना के विपरीत, इस संशोधन में खंभे से अलग खुली दीर्घाओं वाली एक स्तरित संरचना है। सोडियम आयन (ना⁺) इस सामग्री के माध्यम से आसानी से पलायन करते हैं क्योंकि ऑक्साइड ढांचा एक आयनोफिलिक, गैर-कम करने योग्य माध्यम प्रदान करता है। इस सामग्री को सोडियम-सल्फर बैटरी के लिए सोडियम आयन कंडक्टर माना जाता है।

फ्लोराइड आयन कंडक्टर

लेण्टेनियुम ट्राइफ्लोराइड (LaF₃) F के लिए प्रवाहकीय है⁻ आयन, कुछ आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड में उपयोग किए जाते हैं। बीटा-लेड फ्लोराइड गर्म करने पर चालकता की निरंतर वृद्धि प्रदर्शित करता है। इस संपत्ति की खोज सबसे पहले माइकल फैराडे ने की थी।

आयोडाइड्स

तेज़ आयन कंडक्टर का एक पाठ्यपुस्तक उदाहरण सिल्वर आयोडाइड (AgI) है। ठोस को 146 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने पर, यह सामग्री अल्फा-पॉलीमॉर्फ को अपनाती है। इस रूप में, आयोडाइड आयन एक कठोर घनीय ढांचा बनाते हैं, और Ag+ केंद्र पिघले हुए होते हैं। ठोस की विद्युत चालकता 4000x बढ़ जाती है। कॉपर (I) आयोडाइड (CuI), रुबिडियम सिल्वर आयोडाइड (RbAg) के लिए समान व्यवहार देखा गया है।₄I₅), और एजी₂हगि₄.

अन्य अकार्बनिक सामग्री

• चांदी सल्फाइड, Ag के लिए प्रवाहकीय⁺ आयन, कुछ आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड में उपयोग किए जाते हैं
• लेड (IIलीड (द्वितीय) क्लोराइड, उच्च तापमान पर प्रवाहकीय
• कुछ पेरोवियन सिरेमिक - स्ट्रोंटियम टाइटेनेट, स्ट्रोंटियम स्टैनेट - ओ के लिए प्रवाहकीय²⁻ आयन
• ${\ce {Zr(HPO4)2.{\mathit {n}}H2O}}$ - एच के लिए प्रवाहकीय⁺ आयन
• ${\ce {UO2HPO4.4H2O}}$ (हाइड्रोजन यूरेनिल फॉस्फेट टेट्राहाइड्रेट) - एच के लिए प्रवाहकीय⁺ आयन
• सेरियम (चतुर्थ) ऑक्साइड - ओ के लिए प्रवाहकीय²⁻ आयन

जैविक सामग्री

• कई जैल, जैसे कि polyacrylamide ्स, एगर आदि तीव्र आयन चालक होते हैं
• पॉलीमर में घुला नमक - उदा. पॉलीथीन ऑक्साइड में लिथियम पर्क्लोरेट
• पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और आयनोमर्स - उदा. नेफियन, एक प्रोटॉन कंडक्टर|एच⁺ कंडक्टर

इतिहास

तेज आयनिक चालन का महत्वपूर्ण मामला आयनिक क्रिस्टल की सतह अंतरिक्ष-आवेश परत में से एक है। इस तरह के चालन की भविष्यवाणी सबसे पहले कर्ट लेहोवेक ने की थी। स्पेस-चार्ज परत में नैनोमीटर मोटाई होती है, प्रभाव सीधे nanoionics (नैनोऑनिक्स-I) से संबंधित होता है। लेहोवेक के प्रभाव का उपयोग पोर्टेबल लिथियम बैटरी और ईंधन कोशिकाओं के लिए नैनो सामग्री के विकास के आधार के रूप में किया जाता है।

यह भी देखें

• मिश्रित कंडक्टर