Chem. Mater.：石榴石型氧化物中高氧离子电导率的设计规则

兔兔

2020-01-20

氧离子导体在燃料电池、气体传感器等器件的电解质应用中起着重要的作用，其中的一个关键需求就是高氧离子电导率（σ_O）。Y稳定（掺杂）的ZrO₂（YSZ）在~1000 K时的σ_O为~10⁻² S/cm。然而，较高的σ_O值在更有用的工业应用中至关重要。有几种典型的氧化物，如Gd掺杂的CeO₂（GDC）、纯或Er掺杂δ相Bi₂O₃和掺杂LaGaO₃的σ_O高于YSZ。但是，仍然需要一种具有足够实用价值的新材料设计来替代YSZ。含锂离子的石榴石晶体结构因其高的锂离子电导率而受到人们的关注。在此，丰田中央研发实验室Joohwi Lee等人基于对Ca₃Fe₂Ge₃O₁₂的经验知识，对90种类型的石榴石型氧化物（A₃B₂C₃O₁₂）进行了第一原理筛选，以考虑其作为氧离子导体的潜力。发现了几种能量和动态稳定的氧化物，它们对离域迁移路径上的间隙氧（O_i）具有较低的迁移势垒(E_mig)。其中，Cd₃Sc₂Ge₃O₁₂、Ca₃Y₂Ge₃O₁₂、Ca₃In₂Ge₃O₁₂和Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂可能能够通过La_Ca⁺和In_Cd⁺等施主掺杂产生O_i。根据第一性原理分子动力学的计算，预计这些氧化物的氧离子电导率（σ_O）的数量级与YSZ所显示的参考水平~10⁻² S/cm相似。这项工作提供了有关石榴石型氧化物高σ_O的科学推理和设计规则，如O_i的低E_mig归因于阳离子的原子半径偏差较小和键长。

Joohwi Lee, Nobuko Ohba, Ryoji Asahi. Design Rules for High Oxygen-Ion Conductivity in Garnet-Type Oxides. Chemistry of Materials 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02044

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02044