موصل أيوني سريع

تُعدّ موصلات البروتونات فئة خاصة من الإلكتروليتات الصلبة، حيث تعمل أيونات الهيدروجين كناقلات للشحنة. ومن الأمثلة البارزة على ذلك الماء فائق الأيونية .

تُسمى الموصلات الأيونية الفائقة، حيث تكون الموصلية الأيونية σi أكبر من 0.1 أوم⁻¹ سم⁻¹ (عند 300 كلفن) وطاقة التنشيط لنقل الأيونات Ei صغيرة (حوالي 0.1 إلكترون فولت)، _{بالموصلات} الأيونية _{الفائقة} المتقدمة ^. أشهر ^مثال على الموصل ^{الأيوني} الفائق المتقدم ذي الإلكتروليت الصلب هو _RbAg₄I₅ ، _حيث σi _> 0.25 أوم⁻¹ ^سم⁻¹ و σe _~ 10⁻⁹ ^أوم⁻¹ سم⁻¹ ^عند 300 كلفن. [ ^{1 ] [ 2 ] تبلغ} حركة ^أيونات هول ( الانجراف ₎ في RbAg₄I₅ _حوالي 2 × 10⁻⁴⁻⁴ سم²/(فولت.ثانية) عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 3 ]} يوضح الشكل المخطط المنهجي σe – σi الذي يميز الأنواع _{المختلفة} للموصلات _{الأيونية} الصلبة ^{. [ 4 ] [ 5 ]}

لم تُوصَف حتى الآن أمثلة واضحة لموصلات الأيونات السريعة ضمن فئة الموصلات الأيونية الفائقة المتقدمة المفترضة (المنطقتان 7 و8 في مخطط التصنيف). مع ذلك، في البنية البلورية لعدة موصلات أيونية فائقة، مثل معادن مجموعة البيرسيت-البوليباسيت، اكتُشِفَت في عام 2006 أجزاء هيكلية كبيرة ذات طاقة تنشيط لنقل الأيونات E _i < k _{BT (300 K).} ^{[ 6 ]}

يُعد الزركونيا المُثبَّت بالإيتريوم (YSZ) أحد الإلكتروليتات الصلبة الشائعة . تُحضَّر هذه المادة بتطعيم أكسيد الزركونيوم _{(ZrO₂ )} بأكسيد الإيتريوم ₍ Y₂O₃ ₎ . عادةً ما تهاجر أيونات الأكسيد ببطء في كلٍّ من أكسيد الإيتريوم الصلب وأكسيد _{الزركونيوم} ، ولكن في الزركونيا _{المُثبَّتة} بالإيتريوم، تزداد موصلية الأكسيد بشكلٍ كبير. تُستخدم هذه المواد للسماح للأكسجين بالمرور عبر المادة الصلبة في أنواعٍ مُحدَّدة من خلايا الوقود. كما يُمكن تطعيم ثاني أكسيد الزركونيوم بأكسيد الكالسيوم للحصول على موصل أكسيدي يُستخدم في مستشعرات الأكسجين في أنظمة التحكم بالسيارات. عند تطعيمه بنسبةٍ قليلةٍ فقط، يزداد ثابت انتشار الأكسيد بمقدار 1000 ضعف تقريبًا. ^{[ 7 ]}

_{تعمل أنواع} أخرى من السيراميك الموصل كناقلات للأيونات. ومن الأمثلة على ذلك مادة NASICON ( _{Na3Zr2Si2PO12 ) ، وهي موصل أيوني} فائق للصوديوم .

مثال آخر على الموصلات الأيونية السريعة الشائعة هو الإلكتروليت الصلب من بيتا-ألومينا . ^{[ 8 ]} على عكس الأشكال المعتادة للألومينا ، يتميز هذا النوع ببنية طبقية ذات مسافات مفتوحة تفصلها أعمدة. تنتقل أيونات الصوديوم (Na ⁺ ) بسهولة عبر هذه المادة لأن هيكل الأكسيد يوفر وسطًا محبًا للأيونات وغير قابل للاختزال. تُعتبر هذه المادة موصلًا لأيونات الصوديوم في بطارية الصوديوم-الكبريت .

يُعدّ ثلاثي فلوريد اللانثانوم (LaF₃ ₎ موصلاً لأيونات الفلوريد (F⁻) ^، ويُستخدم في بعض الأقطاب الانتقائية للأيونات . ويُظهر فلوريد الرصاص بيتا زيادةً مستمرةً في الموصلية عند التسخين. وقد اكتشف هذه الخاصية لأول مرة مايكل فاراداي .

يُعد يوديد الفضة (AgI) مثالًا نموذجيًا على الموصلات الأيونية السريعة . عند تسخين المادة الصلبة إلى 146  درجة مئوية، تتخذ هذه المادة الشكل البلوري ألفا. في هذا الشكل، تُشكّل أيونات اليوديد هيكلًا مكعبًا صلبًا، بينما تكون مراكز Ag+ منصهرة. تزداد الموصلية الكهربائية للمادة الصلبة بمقدار 4000 ضعف. ويُلاحظ سلوك مماثل في يوديد النحاس الأحادي (CuI)، ويوديد روبيديوم _الفضة ( _RbAg₄I₅ ) ، ^{[ 9 ]} و _{Ag₂HgI₄ .}

• كبريتيد الفضة ، موصل لأيونات Ag ⁺ ، ويستخدم في بعض الأقطاب الانتقائية للأيونات
• كلوريد الرصاص (II) ، موصل لأيونات Cl ⁻ عند درجات حرارة أعلى ^{[ 10 ]}
• بعض أنواع السيراميك البيروفسكيتي - مثل تيتانات السترونتيوم وستانات السترونتيوم - موصلة لأيونات الأكسجين ( ^O2−).
• ${\displaystyle {\ce {Zr(HPO4)2.{\mathit {n}}H2O}}}$موصل لأيونات الهيدروجين (H ⁺⁾
• ${\displaystyle {\ce {UO2HPO4.4H2O}}}$(هيدروجين يورانيل فوسفات رباعي الهيدرات) – موصل لأيونات الهيدروجين (H ⁺⁾
• أكسيد السيريوم (IV) - موصل لأيونات الأكسجين ^O2−

• العديد من المواد الهلامية ، مثل البولي أكريلاميدات والأجار ، وما إلى ذلك، هي موصلات أيونية سريعة ^{[ 11 ] [ 12 ]}
• ملح مذاب في بوليمر - على سبيل المثال بيركلورات الليثيوم في أكسيد البولي إيثيلين ^{[ 13 ]}
• البوليمرات الإلكتروليتية والأيونومرات - على سبيل المثال نافيون ، موصل ^{لأيونات} الهيدروجين