Sm^(3+),Sr^(2+)共掺杂对CeO_2基电解质性能影响的密度泛函理论+U计算

摘要

Sm^(3+),Sr^(2+)共掺杂CeO_2的离子电导率被证实可高达Sm^(3+)掺杂CeO_2离子电导率的近两倍,然而,共掺杂对CeO_2电导率的作用机理尚不明确.本文利用第一性原理计算的密度泛函理论+U方法,对Sm^(3+)和Sr^(2+)共掺杂的CeO_2进行了系统的研究,对比Sm^(3+)或Sr^(2+)单掺杂的CeO_2体系,计算并分析了共掺杂体系的电子态密度、能带结构、氧空位形成能以及氧空位迁移能等微观属性.计算结果表明,Sm^(3+),Sr^(2+)的共掺杂对CeO_2基电解质性能的提高具有协同效应,二者的共掺杂不仅能协同抑制CeO_2体系的电子电导率,还能在单掺杂CeO_2的基础上进一步降低氧空位形成能,Sm^(3+)的存在还有助于降低Sr^(2+)对氧空位的俘获作用,而Sr^(2+)的加入则能够在Sm^(3+)掺杂CeO_2的基础上进一步降低最低氧空位迁移能,爬坡式弹性能带方法计算表明共掺杂体系的氧空位迁移能最低可达0.314/0.295 eV,低于Sm^(3+)掺杂CeO_2的最低氧空位迁移能.研究揭示了Sm^(3+),Sr^(2+)共掺杂对CeO_2电导率的协同作用机理,对进一步研发其他高性能的共掺杂电解质材料具有重要的指导意义.