The effect of octahedral tilting on proton binding sites and transition states in pseudo-cubic perovskite oxides

八面体 质子 结晶学 钙钛矿(结构) 化学 结合能 化学物理 材料科学 晶体结构 原子物理学 物理 量子力学
作者
Maria A. Gomez,Mary A. Griffin,Saryu Jindal,Kristin D. Rule,Valentino R. Cooper
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:123 (9) 被引量:89
标识
DOI:10.1063/1.2035099
摘要

Proton conducting oxide ceramics have shown potential for use in fuel cell technologies. Understanding the energy pathways for proton conduction could help us design more efficient fuel cell materials. This paper describes how octahedral tilting affects the relative energies of proton binding sites, transition states, and conduction pathways in cubic and pseudo-cubic perovskites. First, the structure for cubic and pseudo-cubic forms of BaTiO3, BaZrO3, CaTiO3, and CaZrO3, is found. Even when cubic symmetry is enforced, CaTiO3, and CaZrO3 exhibit octahedral tilting distortions characteristic of orthorhombic phases while BaTiO3 and BaZrO3 remain undistorted. Octahedral tilting gives rise to proton binding sites facilitating inter- and intra-octahedral proton transfer while the proton binding sites of undistorted perovskites facilitate only intra-octahedral proton transfer. The nudged elastic band method is used to find minimum energy paths between the proton binding sites. As distortions increase, inter-octahedral proton transfer barriers decrease while intra-octahedral proton transfer barriers increase. Concurrently, rotational barriers from oxygens facilitating inter-octahedral proton transfer increase while rotational barriers from oxygens facilitating intra-octahedral proton transfer decrease. Intra-octahedral transfer is the rate-limiting step to the lowest energy extended proton conduction pathway in all the perovskites considered.

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