澳大利亚ANSTO：添加掺杂过渡金属，提高氧化铋稳定性

图片来源：澳大利亚核科学与技术机构（ANSTO）

ANSTO一直在为悉尼大学提供科学服务，这其中就包括在氧化铋中添加掺杂过渡金属，以寻求更高的稳定性。

经过三次高温变形的氧化铋——δ-Bi2O3，以其离子导电性闻名但受限于狭窄的稳定性范围(729—817 °C)而无法得到广泛应用，817 °C的熔点给它的应用带来了很大的困难。

由悉尼大学的Chris Ling教授和Julia Wind博士以及来自ANSTO和其他两个大学的研究人员，合作实现了复杂晶体结构和化学结构的设计,这些研究都是以Bi23CrNb3O45为原料中进行的，这是一种氧化铋与铬和铌相结合产生的金属化合物。

这项研究已发表于Chemistry of Materials杂志上。

来自ANSTO的张昭明利用她在x射线吸收光谱方面的专业知识有效地帮助了研究团队。

通过澳大利亚同步加速器软x射线(SXR)和x射线吸收光谱(XAS)的处理，研究团队得到了高能量以及低能量的x射线吸收近边结构(XANES)数据,而台湾同步辐射研究中心（NSRRC）则得到了中等能量的x射线吸收近边结构(XANES)数据,这些数据通过与与中子,同步加速器的x射线和电子衍射,高分辨率透射电子显微镜和ab初始计算进行结合，可以阐明上层结构的细节。

张教授介绍道：“光谱学在这项研究中是不可或缺的一部分，这是因为过渡金属掺杂剂的氧化态和局部结构具有极大的多样性。”

“近边数据光谱不仅能提供金属掺杂剂的氧化态信息，还能提供周围的局部配位和几何形状，这些数据对于我们的实验研究非常重要。”

通过选定的区域电子衍射（SAED）模式确定了相应的调制措施。

图片来源：澳大利亚核科学与技术机构（ANSTO）

对于一般晶体而言，晶体是通过在空间内的3个方向上的平移来重复单位单元格的。

而对于已调制的结构而言，周期的维度有三个以上。如果调制周期与单位晶报长度的比值是合理的，那么调制就是“相称”的，否则就是“不相称”。

由于调制矢量ε随过渡金属掺杂剂的类型和铋与过渡金属的比率变化而变化，研究人员利用这两个独立的变量，对合金的合成进行化学调整，以寻找ε=1/3的结构，而这些研究都是以Bi23CrNb3O45为原料进行的。

张教授表示：“由于上层结构的复杂性，解释光谱数据具有一定的挑战性。结果不仅证实了在Bi23CrNb3O45中有六价铬和五价铌的存在，而且证实了每个铌周围都是6个氧离子而铬周围有4个氧离子。”

在上层结构中，过渡金属周围的氧离子有序地排列成NbO6的八面体群和孤立的CrO4四面体，分离出相对无序的氟型区域，从而促进了高氧离子的传导效率。

张教授说：“稀土金属掺杂氧化铋不仅具有较高的导电性，还具有良好的长期稳定性。”

虽然这项研究还停留在基础阶段，但由于氧化铋本身具有可移动的氧缺陷，因此可以作为固体氧化物燃料电池等离子设备的电荷载体，具有良好的发展前景。

张教授最后表示：“作为‘Br—GHT’计划的一部分，澳大利亚同步加速器正在计划建立一种新型中等能源XAS 光束。一旦建成，我们将不再需要前往台湾进行中等能量近边结构实验。”

文章来自Phys.Org，原文题目为Fine-tuning chemistry by doping with transition metals produced stability in bismuth oxide，由材料科技在线汇总整理。