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NaGaPO4F – a KTiOPO4-structured solid sodium-ion conductor

离子键合 离子 快离子导体 固态核磁共振 密度泛函理论 材料科学 化学 结晶学 物理化学 核磁共振 计算化学 电解质 有机化学 物理 电极
作者
S.N. Marshenya,Artem D. Dembitskiy,D. S. Fedorov,Alexey G. Scherbakov,Ivan A. Trussov,Olga R. Emelianova,Dmitry A. Aksyonov,A. L. Buzlukov,Н. А. Журавлев,Т. А. Денисова,N. I. Medvedeva,Artem M. Abakumov,Evgeny V. Antipov,Stanislav S. Fedotov
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d3dt03107a
摘要

Advanced ionic conductors are crucial for a large variety of contemporary technologies spanning solid state ion batteries, fuel cells, gas sensors, water desalination, etc. In this work, we report on a new member of KTiOPO4-structured materials, NaGaPO4F, with sodium-ion conductivity. NaGaPO4F has been obtained for the first time via a facile two-step synthesis consisting of a hydrothermal preparation of an ammonia-based precursor, NH4GaPO4F, followed by an ion exchange reaction with NaNO3. Its crystal structure was precisely refined using a combination of synchrotron X-ray powder diffraction and electron diffraction tomography. The material is thermally stable upon 450 °C showing no significant structural transformations or degradation but only a ∼1% cell volume expansion. Na-ion mobility in NaGaPO4F was investigated by a joint experimental and computational approach comprising solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) and density functional theory (DFT). DFT and bond-valence site energy (BVSE) calculations reveal 3D diffusion of sodium in the [GaPO4F] framework with migration barriers amounting to 0.22 and 0.44 eV, respectively, while NMR yields 0.3-0.5 eV that, being coupled with a calculated bandgap of ∼4.25 eV, makes NaGaPO4F a promising fast Na-ion conductor.
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