イオニクス材料における反応素過程の量子力学シミュレーションと材料設計

离子材料基元反应过程的量子力学模拟和材料设计

基本信息

批准号：
17041007
负责人：
大場史康
金额：
$ 4.54万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

固体酸化物燃料電池におけるフロトン伝導性電解質一電極界面における欠陥化学反応と電子状態に関する知見を得るため,BaZrO3(001)-Pt(001)界面を取りあげて第一原理計算による検討を行った.具体的には,様々な終端面を有する整合界面モデルについて第一原理PAW法による原子・電子構造の最適化計算を行い,界面のエネルギーと原子・電子構造及び化学結合状態の解析を行った.さらに,これらの界面に酸素空孔及び格子間プロトンを導入し,その形成エネルギーを粒内モデルと比較して評価した.その結果,界面がBaO終端の場合はPtがBa及び0上に位置する構造が安定であり,ZrO2終端の場合はPtが0上のみに位置する構造が安定であることがわかった.また,これらの中で最低の界面エネルギーを示したBaO終端界面について,電子レベルでの詳細な解析を行った結果,界面ではその直上においてPt-0結合に由来した局在電子状態が形成されることがわかった.この界面における酸素空孔及び格子間プロトンは粒内に比べてかなり低い形成エネルギーを持ち,強い偏析傾向を示すことが判明した.一方,プロトンを導入するために添加されるYドーパントについては,粒内に対して大きなエネルギー差は見られなかった.これは,界面における特有なPt-0結合に由来して酸素の状態が大きく変化し,その酸素の空孔やそれに結合した格子間プロトンが直接的な影響を受けたためと解釈できる.この結果は,界面直上では粒内と異なった欠陥化学反応が進行することを意味しており,ナノ・サブナノスケールでの界面制御の重要性を示している.

为了了解固体氧化物燃料电池中氟离子导电电解质-电极界面上的缺陷化学反应和电子态，我们利用BaZrO3(001)-Pt(001)界面进行了第一性原理计算研究。我们利用第一性原理PAW方法对各种端面的相干界面模型进行了原子和电子结构的优化计算，计算了界面的能量和原子和电子结构。此外，我们在这些界面处引入了氧空位和间隙质子，并通过与晶内模型进行比较来评估它们的形成能。结果，我们发现，当界面为 BaO 封端时，发现 Pt 的结构位于Ba和0上的结构是稳定的，并且在ZrO2终止的情况下，Pt仅位于0上的结构是稳定的。通过对 BaO 终止界面的电子水平进行详细分析，我们发现在界面正上方形成了源自 Pt-0 键的局域电子态。氧空位和间隙质子具有相当大的形成能比晶粒内的低，并且表现出强烈的偏析倾向。另一方面，添加Y掺杂剂以引入质子内部和外部之间没有观察到较大的能量差异，这是因为由于界面处独特的Pt-0键，氧的状态发生了很大的变化，并且与其结合的氧空位和间隙质子直接相互作用。可以解释这是由于缺陷的影响。该结果意味着缺陷化学反应直接在界面上方进行，这与晶粒内部的反应不同，并且表明了控制纳米和晶粒界面的重要性。亚纳米级。