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Effect of Electronic Interactions on Oxide-Ion Mobility in Solid Electrolytes with a Fluorite Structure

化学物理 氧化物 离子 单独一对 化学 电解质 密度泛函理论 氧气 材料科学 结晶学 无机化学 计算化学 物理化学 分子 电极 有机化学
作者
Thi Phuong Thao Nguyen,Tatsumi Ishihara,John A. Kilner,Aleksandar Staykov
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (46): 22437-22446 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c03050
摘要

The high oxide-ion transport in three fluorite-structured oxide electrolytes is examined by using density functional theory. Our study elucidates the oxide-ion diffusion mechanism in yttrium (Y)-doped ZrO2, Y-doped CeO2, δ-Bi2O3, and α-Bi2O3, including the major change in oxygen mobility that occurs in Bi2O3 at the δ–α phase transition. This research focuses on the partial covalent interactions, often neglected in atomistic simulations, and their effect on the migrating oxygen ion. We found a direct relationship between the degree of hybridization (i.e., partial covalent interactions) in the resting state, transition state, and the activation barrier for oxygen migration. From this, we can understand the oxygen-ion migration energetics by analyzing the resulting electron density. The oxide ions migrate nonlinearly between two adjacent lattice sites to maximize partial covalent interactions with the neighboring cations. We also provide an explanation for the enhanced oxide-ion conductivity of δ-Bi2O3 compared to α-Bi2O3, related to the electron density due to different 6s lone-pair orientations. The disordered δ-phase has a complex lone-pair orientation, which also changes as the oxygen ion is migrating, resulting in a very low barrier to oxygen-ion migration. In contrast, α-Bi2O3, a material with exactly the same stoichiometry, has a well-ordered lattice, and the lone-pair orientation is always arranged to hinder the oxygen diffusion pathway.
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