Ossidi ternari

Gli ossidi ternari, noti anche come famiglia di ossidi della perovskite, hanno formula generale ABO₃ . Sono stati ampiamente studiati dall’inizio degli anni ’50, per il loro utilizzo nei dispositivi di conversione dell’energia.

Gli ossidi ternari hanno destato interesse per il loro uso come dielettrici, conduttori misti ionici ed elettronici, conduttori superionici e superconduttori e sono stati usati nelle celle a combustibile a ossido solido nella fotocatalisi

La perovskite, minerale scoperto negli Urali in Russia da Gustav Rose nel 1839 che ha preso il nome dal mineralogista russo Lev Perovski, è costituita da titanato di calcio CaTiO₃ che è il più studiato degli ossidi ternari. Attualmente gli ossidi ternari appartenenti alla famiglia della perovskite che condividono la stessa struttura del titanato di calcio sono detti perovksiti

Struttura degli ossidi ternari

Comune a tutti gli ossidi ternari chiamati perovskiti è la stretta relazione strutturale con la struttura cubica ideale ABO₃ composta da ottaedri BO_6/2 che condividono tutti gli angoli creando una struttura, in cui i cationi A più grandi si trovano in cubottaedri vuoti interstiziali.

La struttura degli ottaedri BO_6/2 presenta un’elevata flessibilità, con conseguenti numerose varianti di distorsione di simmetria inferiore dovute alla rotazione e alla inclinazione di questi ottaedri, quando lo consente la dimensione dei cationi A

La disposizione reticolare della perovskite può essere descritta come catione atomico o molecolare al centro di un cubo i cui angoli sono occupati dagli atomi B e le facce del cubo sono occupate da un atomo X più piccolo con carica negativa.

Inoltre, l’ottaedro può essere distorto per varie ragioni come, ad esempio, l’effetto Jahn-Teller o lo spostamento dell’atomo B centrale. Nelle comuni perovskiti le dimensioni relative dei cationi A e B per una data temperatura governano il grado di distorsione strutturale rispetto alla struttura cubica ideale.

Classificazione

Una classificazione delle strutture degli ossidi ternati sulla base dei raggi degli ioni metallici costituenti è stata tentata da diversi ricercatori. Numerose combinazioni con una varietà di proprietà fisiche derivano dalla flessibilità della struttura cristallina degli ossidi ternari che hanno la capacità di ospitare un’ampia gamma di cationi con vari stati di ossidazione.

Gli ossidi ternari con formula ABO₃ possono quindi essere classificati sulla base del numero di ossidazione di A e di B:
A⁺¹B⁺⁵ O₃. Appartengono a questa categoria composti come il niobato di potassio KNbO₃, il tantalato di argento AgTaO₃ e il tantalato di potassio KTaO₃

A⁺²B⁺⁴ O₃. Appartengono a questa categoria composti come il titanato di calcio CaTiO₃, il titanato di bario BaTiO₃ e manganite di calcio CaMnO₃

A⁺³B⁺³ O₃. Appartengono a questa categoria composti come la ferrite di lantanio LaFeO₃, l’ossido di bismuto e manganese BiMnO₃ e la ferrite di neodimio NdFeO₃.

Usi

Per le loro proprietà vi è una tendenza crescente nello studio dei materiali di ossidi ternari di perovskite ternario a causa delle loro ampie applicazioni nelle celle solari e simili dispositivi elettronici e optoelettronici. Gli ossidi ternari mostrano band gap sintonizzabile, straordinario coefficiente di assorbimento, ampio spettro di assorbimento, elevata versatilità del trasportatore di carica e lunghe lunghezze di diffusione della carica, che consentono un’ampia gamma di applicazioni fotovoltaiche

Le potenziali applicazioni degli ossidi ternari della perovskite sono varie e includono usi in sensori ed elettrodi catalizzatori, alcuni tipi di celle a combustibile, celle solari, laser, dispositivi di memoria e applicazioni spintroniche.

Gli impianti fotovoltaici a base di perovskite, grazie alla loro flessibilità, semitrasparenza, possibilità di formazione di film sottili, leggerezza e bassi costi di lavorazione. sono costantemente sottoposti a ricerca e miglioramento, passando da appena il 2% nel 2006 a oltre il 20.1% nel 2015.

Gli ossidi ternari trovano utilizzo come fotocatalizzatori, ovvero un materiale che assorbe la luce per portarla a un livello energetico più elevato, e hanno mostrato potenziale per la produzione di idrogeno. Applicazioni per dispositivi fotonici e optoelettronici, celle solari efficaci, celle a combustibile, spintronica, macchine elettriche, memoria ad accesso casuale, condensatori elettrochimici a doppio strato e altri nuovi concetti di dispositivi sono solo alcuni delle tante nuove applicazioni di dispositivi resi possibili dagli ossidi ternari delle perovskiti nel campo della scienza dei materiali.