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A Computational Study of Yttria-Stabilized Zirconia: II. Cation Diffusion

机译:氧化钇稳定氧化锆的计算研究:II。阳离子   扩散

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摘要

Cubic yttria-stabilized zirconia is widely used in industrial electrochemicaldevices. While its fast oxygen ion diffusion is well understood, why cationdiffusion is much slower-its activation energy (~5 eV) is 10 times that ofanion diffusion-remains a mystery. Indeed, all previous computational studiespredicted more than 5 eV is needed for forming a cation defect, and another 5eV for moving one. In contrast, our ab initio calculations have correctlypredicted the experimentally observed cation diffusivity. We found Schottkypairs are the dominant defects that provide cation vacancies, and their localenvironments and migrating path are dictated by packing preferences. As acation exchanges position with a neighboring vacancy, it passes by an emptyinterstitial site and severely displaces two oxygen neighbors with shortenedZr-O distances. This causes a short-range repulsion against the migratingcation and a long-range disturbance of the surrounding, which explains whycation diffusion is relatively difficult. In comparison, cubic zirconia'smigrating oxygen only minimally disturbs neighboring Zr, which explains why itis a fast oxygen conductor.
机译:立方氧化钇稳定的氧化锆广泛用于工业电化学设备中。尽管人们已经很好地理解了其快速的氧离子扩散,但为什么阳离子扩散慢得多-它的活化能(〜5 eV)是阴离子扩散的10倍,仍然是个谜。确实,所有先前的计算研究都预测,形成一个阳离子缺陷需要5 eV以上的能量,而移动一个阳离子需要5 eV以上的能量。相比之下,我们的从头算计算已经正确预测了实验观察到的阳离子扩散系数。我们发现肖特基对是提供阳离子空位的主要缺陷,它们的局部环境和迁移路径由包装偏好决定。当阳离子与相邻的空位交换位置时,​​它经过一个空的间隙位置,并严重置换了两个具有较短Zr-O距离的氧邻居。这导致对迁移的短距离排斥以及对周围环境的长距离干扰,这解释了为什么阳离子扩散相对困难。相比之下,立方氧化锆的迁移氧气对邻域Zr的干扰很小,这解释了为什么它是一种快速的氧气导体。

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