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.

为了获得有关固体氧化物燃料电池中Froton导电电解质的界面上的缺陷反应和电子状态的知识，我们采用了Bazro3（001）-PT（001）界面，并使用第一原则计算进行了研究。具体而言，对于具有各种端面的匹配界面模型，我们使用第一原理PAW方法对原子和电子结构进行了优化计算，并分析了界面，原子和电子结构以及化学键态的能量。此外，将氧气空位和间质质子引入了这些界面，并将其形成能量与当时的模型进行了比较。结果，发现当界面为BAO时，PT位于BA上的结构稳定，当Zro2端稳定时，PT仅位于0上的结构是稳定的。它还显示了这些界面的最低能量。对电子水平的BAO终止界面的详细分析表明，从PT-0键中得出的局部电子状态在上方的界面处形成。该界面处的氧空位和间质质子的地层能量明显低于刻粒晶粒，并且表现出强烈的隔离趋势。另一方面，对于添加的y掺杂剂以引入质子，在谷物中未观察到显着的能量差异。这可以解释是由于界面处的唯一PT-0键因唯一的pt-0键而显着改变，并且与之结合的间隙质子受到直接影响。该结果表明，与那些内部晶粒不同的缺陷化学反应紧接在界面上方进行，表明纳米 - 亚纳米级对界面控制的重要性。