Revealing the Non-Arrhenius Migration of Oxygen Vacancies at the CeO2(111) Surface

阿累尼乌斯方程 氧气 材料科学 曲面(拓扑) 热力学 矿物学 结晶学 化学 活化能 物理化学 物理 几何学 数学 有机化学
作者
Yujing Zhang,Huabing Cai,Beien Zhu,Zhongkang Han,Hui Li,M. V. Ganduglia-Pirovano,Yi Gao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 3734-3740
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c00444
摘要

Ceria (CeO2) is renowned for its exceptional oxygen storage capacity, which makes it highly valuable in various applications. Central to its functionality is the migration of oxygen vacancies (VO's). While previous studies have extensively examined the distribution of VO's and Ce3+ polarons, their kinetic behaviors and interactions, especially in the presence of multiple vacancies, are not yet fully understood. In this study, we employ density functional theory (DFT), ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, and machine-learning methods to investigate these phenomena. Our findings reveal a nonmonotonic temperature dependence of the migration rate of VO's at the CeO2(111) surface. Our theoretical model further demonstrates that the migration of VO's and the hopping of polarons are intricately coupled. Notably, frequent polaron hopping at high temperatures hinders VO migration, indicating a non-Arrhenius mechanism. This finding is further validated through long-time molecular dynamics simulation enhanced with neural network potentials. Our results provide a microscopic understanding of the interplay between VO's and Ce3+ polarons, offering crucial insights into the complex dynamics governing oxygen vacancy migration in ceria. This knowledge paves the way for improved material design and functionality.
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