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Accuracy of DFT computed oxygen-vacancy formation energies and high-throughput search of solar thermochemical water-splitting compounds

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作者
Bianca Baldassarri,Jiangang He,Xin Qian,Emanuela Mastronardo,Sean D. Griesemer,Sossina M. Haile,Christopher Wolverton
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:7 (6) 被引量:19
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.7.065403
摘要

The enthalpy change involved in metal oxide reduction is a key quantity in various processes related to energy conversion and storage, and is of particular interest for computational prediction. Often this prediction involves the simulation of a high temperature reduction process with a 0K methodology like density functional theory (DFT), and it is not infrequent for the high temperature and 0K stable crystal structures to differ. This introduces a conundrum with regards to the choice of crystal structure to utilize in the computation, with approaches in the literature varying and experimental validation remaining scarce. In this work we address both the crystal structure conundrum and the experimental validation, and then apply the insights we gain to guide a high-throughput search for new materials for solar thermochemical water-splitting applications. By computing the DFT+U oxygen vacancy formation energy (ΔE<sub>vf</sub>) of a selection of ABO<sub>3</sub> compounds and comparing different crystal structures for each composition, we highlight the issues that arise when the structure utilized in the computation is dynamically unstable at 0K, namely the presence of an artificial lowering of ΔE<sub>vf</sub>, and the lack of convergence of ΔE<sub>vf</sub> with cell size. We solve these limitations by identifying and employing a suitable surrogate dynamically stable structure. We then validate the predictive power of our calculations against appositely generated experimental measurements of reduction enthalpy for a series of Hubbard U values, finding an accuracy ranging between 0.2-0.6 eV/O. In light of such conclusions, we revise and expand a previous a high-throughput DFT study on ABO<sub>3</sub> perovskite oxides. As a result, we provide a list of candidate STCH materials, highlight trends with redox-active cation and structural distortion, and identify Mn<sup>4+</sup>, Mn<sup>3+</sup> and Co<sup>3+</sup> as the most promising redox-active cations.
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