Thermochemical Expansion and Protonic and Electronic Hole Conductivity of Grain Interior and Grain Boundaries in 10 Mole% Y‐Substituted SrZrO3

晶界 材料科学 粒度 电阻率和电导率 电导率 矿物学 冶金 物理化学 化学 微观结构 物理 量子力学
作者
Lulu Jiang,Truls Norby,Donglin Han
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:16 (14) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/cssc.202300661
摘要

Abstract Proton conducting acceptor‐doped SrZrO 3 has a history as long as that of BaZrO 3 , but has attracted less interest. Inspired by its higher transport number of ionic conduction in wet oxygen revealed by our recent work, we here explore further aspects of doped SrZrO 3 as electrolyte in proton ceramic electrochemical cells. In‐situ high temperature XRD (HT‐XRD) analysis of SrZr 0.9 Y 0.1 O 3− δ (SZY10) indicated an anisotropic chemical expansion of hydration, stronger along the b than the a direction, and negative in the c direction. A systematic electromotive force (EMF) and impedance spectroscopy study as a function of and allowed determination of partial conductivities of electron holes and ions (mainly protons) in bulk (grain interior) and grain boundaries. Enthalpies and preexponentials were determined and interpreted for bulk and grain boundary partial conductivities based on defect chemistry and a brick layer model. The hole conductivity in bulk is modest and ensures high ionic transport numbers in oxidizing atmospheres, while grain boundaries exhibit lower ionic transport numbers from a relatively higher hole conductivity attributed primarily to tunnelling past the deepest part of the space charge region. Y‐doped SrZrO 3 (SZY) materials exhibit lower proton conductivities but excel over Y‐doped BaZrO 3 (BZY) in terms of thermal expansion compatibility with electrode materials and higher ionic transport numbers in oxidizing atmospheres and may hence be candidates for functional layers between BZY‐based electrolytes and positrodes in proton ceramic electrochemical cells.
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