氧在La/SrMnO3(001)吸附、解离和扩散的第一性原理研究

摘要

固体氧化物燃料电池是一种将碳氢化合物的化学能通过电化学反应转化成电能的最有效的装置，近年来其在清洁、高效分布式发电领域中越来越受到人们的重视。固体氧化物燃料电池(SOFC)是已发明的由化学燃料直接转化为电能的最有效的装置。综合考虑La1-xSrxMnO3为最合适的SOFC阴极材料。阴极/电解质界面(LSC)，阴极将氧分子还原为氧离子，该反应是在强的氧化气氛中进行的，而且钙钛矿材料表面对氧的吸附和扩散机理对其电化学性能的影响非常重要。利用同位素(18O2)示踪法分析反应机理，发现O2/LSC表面发生氧吸附决定了阴极反应的速率；也就是说，第一步的吸附反应决定了固体阴极材料的性能好坏。因此采用基于密度泛函的第一性原理方法，系统研究La/SrMnO3电学性能及导电机理并比较La/SrMnO3(001)三种外表面对O原子的吸附，以及O2分子在各表面解离过程具有重要的现实意义。
　　 我们对La/SrMnO3采用vasp和castep软件进行了系统的晶格结构和电学基本性能计算的基础上，采用基于密度泛函的第一性原理的方法，同时结合Nudged Elastic Band方法，系统研究了O原子和O2分子在La/SrMnO3(001)表面的吸附过程。详细比较MnO2、LaO和SrO作为(001)外层表面O原子吸附的性能和表面结构变化；给出O2分子在MnO2、LaO和SrO外表面的解离路径和势垒；研究O原子在三种表面的扩散过程，计算出各扩散路径的势垒和最稳定的吸附位置的基本情况。在此基础上，通过比较解离、扩散和放氧环节的激活能数据，提出O2的解离和表面放氧过程均为速率控制步骤。进一步为La/SrMnO3作为固体阴极材料时决定性能的第一步吸附反应提供了理论数据的支持。