Improving Hydrogen Permeation Resistance in Ultrathin ZrO2 Coating via Y Dopant Tuning

材料科学 渗透 掺杂剂 化学工程 涂层 纳米技术 兴奋剂 光电子学 有机化学 遗传学 生物 工程类 化学
作者
Liyu Zheng,Ang Xu,Fangjian Li,Mo Li,Youwei Yan,Xinyun Wang,Heping Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (35): 50011-50023 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.5c11792
摘要

Ceramic coatings have recently found applications as efficient hydrogen permeation barriers (HPBs) in the development of hydrogen and nuclear energy. Finding a simple method to increase hydrogen permeation resistance is essential for HPB applications. Herein, we fabricated an ultrathin zirconia (ZrO2) coating using a facile sol–gel technique and increased its hydrogen permeation resistance via yttrium (Y) dopant tuning. With 12 mol % Y doping, the hydrogen permeation resistance of the 50 nm–thick ZrO2 coating increased 10-fold, reaching 1019 times that of the austenite steel substrate. The mechanism behind this notable improvement was elucidated based on insights into the Y-dependent microstructural evolution of the ZrO2 coating. Below 8 mol %, the Y dopant dissolved in the ZrO2 lattice, reducing grain size. Greater Y content (>12 mol %) caused yttria nanoparticles to precipitate, generating a heterogeneous interface within the ZrO2 coating and remarkably maximizing its hydrogen permeation resistance. Notably, this Y-doped ZrO2 coating exhibited high thermal shock resistance, maintaining an intact structure after 80 thermal shock cycles under 600 °C water cooling. Heterogeneous interface design via doping may offer a distinctive approach to developing high-performance ceramic coatings for use as HPBs.
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