Electronic Structures and Oxygen Ion Migration Energies of Metal Doped CeO2Systems：A DFT+U Study

使用DFT和DFT+U方法研究了Ca,Ba,Sm与Zr在CeO2体系中的掺杂能及其掺杂对缺陷形成能和氧离子迁移能的影响规律. 计算结果表明,对未含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能随着掺杂离子半径的增大而增大;对含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能受到掺杂离子半径和价态的影响;对各种掺杂体系电子结构的研究发现,在还原CeO2,Zr和Sm掺杂的CeO2体系中,由于氧空位捕获电子使Fermi能级升高;在碱土金属掺杂的CeO2体系中,由于Ca2+和Ba2+取代高价态Ce4+而产生的负电荷恰恰与氧离子空位产生的正电荷中和,因此Fermi能级几乎没有移动;还原CeO2和Zr掺杂的CeO2体系均含有Ce3+,其新态位于Ce4f和O2p之间,这将导致CeO2体系具有离子和电子导电特性;Ca,Ba和Sm的掺杂均抑制了CeO2体系中Ce4+的变价. 使用NEB方法对氧离子迁移能进行了研究,且结果表明,氧离子到空位的迁移路径几乎沿一条直线进行;当掺杂Ca,Ba,Sm与Zr时,氧离子迁移能均小于纯CeO2体系的;在这些掺杂体系中,Ba掺杂的体系氧离子迁移能最小,掺杂能较大,这可能导致在实验中常通过加入第三类掺杂物来引入Ba.