Ионы кислорода могут переносить заряд через твёрдый кристалл, если в его структуре есть куда перескочить. В новом материале высокая проводимость внутри зёрен достигнута уже при 233 °C — на сотни градусов ниже, чем в распространённой циркониевой керамике при том же показателе. Необычная часть результата: исследователи добавили в состав кислород, а быстрый путь связали со свободными местами для него. Чтобы понять это, нужно посмотреть, где именно располагаются атомы.
Работа опубликована 14 октября в Nature Communications. Авторы исследовали слоистый оксибромид висмута и лантана, заменив часть висмута теллуром. Лучший состав в исследованной серии имеет формулу Bi₁․₉Te₀․₁LaO₄․₀₅Br. Дробные индексы описывают среднее соотношение атомов в кристалле, а не отдельную молекулу.
Лишний кислород и пустые позиции могут сосуществовать
В кристалле есть разные позиции для кислорода. Часть добавленного кислорода занимает дополнительные места, а некоторые обычные позиции остаются незаполненными. Такая пустая позиция называется вакансией. Поэтому увеличение общего содержания кислорода не означает, что все привычные места оказались заняты.
Авторы сопоставили электрические измерения, диффузию изотопа кислорода, данные о структуре и компьютерное моделирование. По их результатам, основную роль играет перемещение ионов через вакансии внутри кислородсодержащих слоёв структуры. Речь об отдельных ионах O²⁻: пузырьков газа и каналов для потока молекулярного кислорода здесь нет.
Состав и устройство соседних слоёв помогают снизить энергетическую трудность такого перемещения. В этой серии соединений слой с бромом легче поляризуется, чем аналогичный слой с хлором. Вместе с замещением висмута теллуром это создаёт условия для подвижности кислорода в твёрдом теле.
Где заканчивается результат внутри кристалла
При 233 °C объёмная проводимость лучшего состава достигла 0,01 См/см. Для сравнения авторы приводят стабилизированный иттрием диоксид циркония: такой же показатель объёмной проводимости он достигает примерно при 644 °C. Это сравнение способности материала переносить заряд, а не эффективности двух готовых электростанций.
Есть существенная граница: прессованный керамический образец состоит из множества зёрен. На границах между ними возникает дополнительное сопротивление, поэтому общая проводимость образца заметно ниже проводимости внутри зерна. Для практического электролита нужно улучшать микроструктуру — например, плотность и контакты между зёрнами. Удачный химический состав решает лишь часть задачи.
Такие проводники интересны для электрохимических устройств, в том числе топливных элементов: перенос ионов кислорода связывает реакции на двух электродах. Более низкая рабочая температура могла бы облегчить подбор других материалов устройства. Однако долгий ресурс и характеристики полноценной системы из этого исследования ещё не следуют. Следующая задача — сохранить быструю миграцию ионов на масштабе всей керамики.
Условная научная иллюстрация EASY: керамический образец и схема перескока иона в свободную позицию внутри одного кристаллического зерна. Схема не воспроизводит точную элементарную ячейку; цвета и масштаб условны.
Источники
Nature Communications: полный текст исследования, 14 октября 2026
