Nat. Commun.: 在CeO2/Y2O3界面构建氧空位

雨辰

2020-03-15

由于可调氧缺陷的关键作用，离子和电子混合导电氧化物已成为许多能源技术的关键部件，包括能源转换和生产、太阳能制氢、湿度/气体检测、汽车尾气中有毒物质的催化转化。铈(CeO₂)因其良好的离子电导率和显著的氧化还原能力而受到广泛关注，氧空位的产生是此类CeO₂基离子材料和器件的先决条件。CeO₂为氟型结构，其Ce到O原子的配位数为8，因此在CeO₂中掺杂(如钇、钐和钆)是制造氧空位的常规方法之一。然而，由于在原子水平上对氧空位形成的基本理解仍然缺乏。

有鉴于此，橡树岭国家实验室的Ho Nyung Lee等人合作，提出了一种新型Nanobrush结构，用于创建高密度界面氧空位。

本文要点

1）在CeO₂和Y₂O₃之间的异质界面通过两种元素之间的化学价态错配，来诱导Y³⁺和Ce⁴⁺离子之间的电荷调制。研究表明，在不破坏晶格结构的情况下，CeO₂/Y₂O₃异质界面可形成大量氧空位。

2）密度泛函理论(DFT)计算氧空位复合物在(111)界面处的缺陷形成能发现，氧空位和Ce³⁺离子在异质界面的形成能分别为1.8 eV和0.5 eV，这增加了界面上的氧空位和Ce³⁺离子的数量，导致了CeO₂侧氧空位偏析，氧空位的正电荷总是由两个Ce³⁺离子来补偿。

3）大量的氧空位可以通过新的界面结构来容纳，保持了晶格结构的完整性。

总之，该工作提出的界面氧空位形成的策略对开发高性能能量转换设备，新型催化剂，具有重要的促进作用。

参考文献：

Dongkyu Lee et al. Colossal oxygen vacancy formation at a fluorite-bixbyite interface. Nat. Commun., 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-15153-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15153-8