Реориентации анионов и диффузия катионов в наноструктурированных клозо-боратах: исследование методами ЯМР и квазиупругого рассеяния нейтронов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методами ядерного магнитного резонанса и квазиупругого рассеяния нейтронов изучены динамические свойства клозо-бората натрия NaCB11H12, внедренного в нанопористые матрицы на основе SiO2, в широком диапазоне температур. Обнаружено, что внедрение клозо-бората в нанопоры приводит к подавлению фазового перехода порядок – беспорядок и к сохранению ориентационно-разупорядоченной фазы с высокой реориентационной подвижностью анионов и высокой диффузионной подвижностью катионов вплоть до низких температур. Статья подготовлена по материалам доклада на конференции РНИКС-2023.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Скрипов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: skripov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

О. А. Бабанова

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: skripov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Р. В. Скорюнов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: skripov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. В. Солонинин

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: skripov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Udovic T.J., Matsuo M., Unemoto A., Verdal N., Stavila V., Skripov A.V., Rush J.J., Takamura H., Orimo S. Sodium superionic conduction in Na2B12H12 // Chem. Commun. 2014. V. 50. P. 3750–3752.
  2. Tang W.S., Matsuo M., Wu H., Stavila V., Unemoto A., Orimo S., Udovic T.J. Stabilizing lithium and sodium fast-ion conduction in solid polyhedral-borate salts at device-relevant temperatures // Energy Storage Mater. 2016. V. 4. P. 79–83.
  3. Tang W.S., Yoshida K., Soloninin A.V., Skoryunov R.V., Babanova O.A., Skripov A.V., Dimitrievska M., Stavila V., Orimo S., Udovic T.J. Stabilizing superionic-conducting structures via mixed-anion solid solutions of monocarba-closo-borate salts // ACS Energy Lett. 2016. V. 1. P. 659–664.
  4. Duchêne L., Kühnel R.S., Rentsch D., Remhof A., Hagemann H., Battaglia C. A highly stable sodium solid-state electrolyte based on a dodeca/deca-borate equimolar mixture // Chem. Commun. 2017. V. 53. P. 4195–4198.
  5. Brighi M., Murgia F., Černý R. Closo-hydroborate sodium salts as an emerging class of room-temperature solid electrolytes // Cell Rep. Phys. Sci. 2020. V. 1. No. 100217.
  6. Andersson M.S., Stavila V., Skripov A.V., Dimitrievska M., Psurek M.T., Leão J.B., Babanova O.A., Skoryunov R.V., Soloninin A.V., Karlsson M., Udovic T.J. Promoting persistent superionic conductivity in sodium monocarba-closo-dodecaborate NaCB11H12 via confinement within nanoporous silica // J. Phys. Chem. C2021. V. 125. P. 16689–16699.
  7. Skripov A.V., Babanova O.A., Soloninin A.V., Stavila V., Verdal N., Udovic T.J., Rush J.J. Nuclear magnetic resonance study of atomic motion in A2B12H12 (A = Na, K, Rb, Cs): Anion reorientations and Na+ mobility // J. Phys. Chem. C2013. V. 117. P. 25961–25968.
  8. Skripov A.V., Soloninin A.V., Babanova O.A., Skoryunov R.V. Anion and cation dynamics in polyhydroborate salts: NMR studies // Molecules. 2020. V. 25. No. 2940.
  9. Tang W.S., Unemoto A., Zhou W., Stavila V., Matsuo M., Wu H., Orimo S., Udovic T.J. Unparalleled lithium and sodium superionic conduction in solid electrolytes with large monovalent cage-like anions // Energy Environ. Sci. 2015. V. 8. P. 3637–3645.
  10. Skripov A.V., Skoryunov R.V., Soloninin A.V., Babanova O.A., Tang W.S., Stavila V., Udovic T.J. Anion reorientations and cation diffusion in LiCB11H12 and NaCB11H12: 1H, 7Li, and 23Na NMR studies // J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 26912–26918.
  11. Hempelmann R. Quasielastic Neutron Scattering and Solid State Diffusion. Clarendon Press, 2000. 456 p.
  12. Polshettiwar V., Cha D., Zhang X., Basset J.M. High-surface-area silica nanospheres (KCC-1) with a fibrous morphology // Angew. Chem. Int. Ed. 2010. V. 49. P. 9652–9656.
  13. Abragam A. The Principles of Nuclear Magnetism. Clarendon Press. 1961. 531 p. [Русский перевод: Абрагам А. Ядерный магнетизм. ИИЛ, 1963. 554 с.]
  14. Skripov A.V., Soloninin A.V., Babanova O.A., Hagemann H., Filinchuk Y. Nuclear magnetic resonance study of reorientational motion in α-Mg(BH4)2 // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. P. 12370–12374.
  15. Markert J.T., Cotts E.M., Cotts R.M. Hydrogen diffusion in the metallic glass a-Zr3RhH3.5 // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. P. 6446–6452.
  16. Dimitrievska M., Shea P., Kweon K., Bercx M., Varley J.B., Tang W.S., Skripov A.V., Stavila V., Udovic T.J., Wood B.C. Carbon incorporation and anion dynamics as synergistic drivers for ultrafast diffusion in superionic LiCB11H12 and NaCB11H12 // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. No. 1703422.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематический вид икосаэдрического аниона [CB11H12]–. Большие синие сферы: атомы В; большая красная сфера: атом С; малые серые сферы: атомы Н.

Скачать (103KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Скорости спин-решеточной релаксации протонов для соединения NaCB11H12, внедренного в матрицу APN-7, в зависимости от обратной температуры. Сплошными линиями показаны результаты аппроксимации данных в трехпиковой модели. Для сравнения показано поведение скорости спин-решеточной релаксации протонов в исходном соединении NaCB11H12 [10] на частоте 28 МГц.

Скачать (103KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Температурные зависимости ширины линии ЯМР 1Н на половине высоты, измеренные на частоте 28 МГц, для соединения NaCB11H12, внедренного в матрицу APN-7, и для исходного соединения NaCB11H12.

Скачать (81KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости частоты реориентационных перескоков анионов от обратной температуры по данным КУРН для клозо-бората NaCB11H12, внедренного в нанопористые матрицы SBA-15 и KCC-1, и для исходного соединения NaCB11H12 [16]. Штриховой линией представлена аррениусовская аппроксимация данных КУРН. Вертикальным штрихом показана температура фазового перехода в исходном NaCB11H12. Звездочками представлены значения τ –1, найденные из аппроксимации данных ЯМР для быстрого реориентационного процесса в клозо-борате NaCB11H12, внедренном в матрицу APN-7.

Скачать (74KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Скорость спин-решеточной релаксации 23Na в клозо-борате NaCB11H12, внедренном в нанопористую матрицу APN-7, в зависимости от обратной температуры.

Скачать (57KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость ширины линии ЯМР 23Na на половине высоты, измеренная на частоте 132.3 МГц, для соединения NaCB11H12, внедренного в матрицу APN-7.

Скачать (63KB)
Метаданные