第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构

doi:10.3866/PKU.WHXB201404231

物理化学学报 >> 2014, Vol. 30 >> Issue (6): 1055-1060.doi: 10.3866/PKU.WHXB201404231

第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构

付召明, 王明阳, 张岩星, 张娜, 杨宗献

河南师范大学物理与电子工程学院, 河南新乡453007

收稿日期:2014-02-10 修回日期:2014-04-23 发布日期:2014-05-26
通讯作者: 杨宗献 E-mail:yzx@henannu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（11247012，11174070）和河南省创新型科技人才队伍建设工程基金（104200510014）资助项目

First-Principles Study on the Microstructure of Triple-Phase Boundaries in the Ni/Yttria-Stabilized Zirconia Anode

FU Zhao-Ming, WANG Ming-Yang, ZHANG Yan-Xing, ZHANG Na, YANG Zong-Xian

College of Physics and Electronic Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, Henan Province, P. R. China

Received:2014-02-10 Revised:2014-04-23 Published:2014-05-26
Contact: YANG Zong-Xian E-mail:yzx@henannu.edu.cn
Supported by:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (11247012, 11174070) and Innovation Scientists and Technicians Troop Construction Projects of Henan Province, China (104200510014).

摘要/Abstract

摘要：

基于第一性原理计算并结合经典的蒙特卡罗方法对镍团簇在钇稳定的氧化锆（YSZ）表面的各种稳定吸附构型进行了结构搜索，并得到了不同于以往文献中报道的更稳定的三相边界构型. 在此基础上，对氧迁移时所伴随的电荷转移进行了深入的探讨. 这里，从YSZ到Ni 上的电子转移是描述固体氧化物燃料电池阳极电化学反应的关键，因此，我们进一步分析了影响电荷转移量的可能因素. 所得研究结果暗示着在SOFC阳极可能存在着新的电化学反应机制.

关键词: 固体氧化物燃料电池, 第一性原理, 吸附, 三相边界, 结构搜索

Abstract:

Using the classical Monte Carlo method and density functional theory (DFT) calculations, various stable adsorption configurations for the Ni/yttria-stabilized zirconia anode (Ni/YSZ) were predicted. Compared with previously reported results, more stable triple phase boundary structures were found. Based on these optimized configurations, charge transfer is discussed in detail, as O ion migration occurs where electron transfer from YSZ to Ni is important in describing the electrochemical reaction at the anodes of the solid oxide fuel cells. We thus analyzed the possible factors that affect the degree of electron transfer. The results indicate that a new electrochemical mechanism is at work in the Ni/YSZ system.

Key words: Solid oxide fuel cell, First-principles, Adsorption, Triple-phase boundary, Conformational search

付召明, 王明阳, 张岩星, 张娜, 杨宗献. 第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构[J]. 物理化学学报, 2014, 30(6), 1055-1060. doi: 10.3866/PKU.WHXB201404231

FU Zhao-Ming, WANG Ming-Yang, ZHANG Yan-Xing, ZHANG Na, YANG Zong-Xian. First-Principles Study on the Microstructure of Triple-Phase Boundaries in the Ni/Yttria-Stabilized Zirconia Anode[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30(6), 1055-1060. doi: 10.3866/PKU.WHXB201404231

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201404231

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2014/V30/I6/1055

参考文献

(1) Ormerod, R. M. Chem. Soc. Rev. 2003, 32, 17. doi: 10.1039/b105764m
(2) Williams, M. C.; Strakey, J. P.; Surdoval,W. A.;Wilson, L. C. Solid State Ionics 2006, 177, 2039. doi: 10.1016/j.ssi.2006.02.051
(3) Meng, X. X.; Gong, X.; Yang, N. T.; Tan, X. Y.; Ma, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 1719. [孟秀霞, 宫勋, 杨乃涛, 谭小耀, 马紫峰. 物理化学学报, 2013, 29, 1719.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201305151
(4) Liu, D. D.; Xie, Y. M.; Liu, J.;Wang, J. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 331. [刘丹丹, 谢永敏, 刘江, 王金霞. 物理化学学报, 2014, 30, 331.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201312241
(5) Lei, Z.; Zhu, Q. S.; Han, M. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 583. [雷泽, 朱庆山, 韩敏芳. 物理化学学报, 2010, 26, 583.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100323
(6) Hansen, K. V.; Norrman, K.; Mogensen, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 151, A1436.
(7) Sukeshini, A. M.; Habibzadeh, B.; Becker, B. P.; Stoltz, C. A.; Eichhorn, B.W.; Jackson, G. S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 153, A705.
(8) Grgicak, C. M.; Giorgi, J. B. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 15446. doi: 10.1021/jp073525n
(9) Bieberle, A. Gauckler, L. Solid State Ionics 2002, 146, 23. doi: 10.1016/S0167-2738(01)01004-9
(10) Bessler,W. G. Solid State Ionics 2005, 176, 997. doi: 10.1016/j.ssi.2005.01.002
(11) Vogler, M.; Bieberle-Hütter, A.; Gauckler, L.;Warnatz, J.; Bessler,W. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 156, B663.
(12) Goodwin, D. G.; Zhu, H.; Colclasure, A. M.; Kee, R. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 156, 1004.
(13) Anderson, A. B.; Vayner, E. Solid State Ionics 2006, 17, 1355.
(14) Ingram, D. B.; Linic, S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 156, B1457.
(15) Shishkin, M.; Ziegler, T. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21667. doi: 10.1021/jp905615c
(16) Cucinotta, C. S.; Bernasconi, M.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 206103. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.206103
(17) Ammal, S. C.; Heyden, A. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2767. doi: 10.1021/jz301132b
(18) Rossmeisl, J.; Bessler,W. G. Solid State Ionics 2008, 178, 1694. doi: 10.1016/j.ssi.2007.10.016
(19) Shishkin, M.; Ziegler, T. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 11209. doi: 10.1021/jp1030575
(20) Xia, X.; Oldman, R. J.; Catlow, C. R. A. J. Mater. Chem. 2012, 22, 8594. doi: 10.1039/c2jm16604f
(21) Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169.
(22) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
(23) Blöchl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953. doi: 10.1103/PhysRevB.50.17953
(24) Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758.
(25) Henkelman, G.; Arnaldsson, A.; Jónsson, H. Comput. Mater. Sci. 2006, 36, 354. doi: 10.1016/j.commatsci.2005.04.010
(26) Christensen, A.; Carter, E. A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 5816. doi: 10.1063/1.1352079
(27) Jarvis, E. A.; Carter, E. A. J. Am. Ceram. Soc. 2003, 86, 373.
(28) Sasaki, T.; Matsunaga, K.; Ohta, H.; Hosono, H.; Yamamoto, T.; Ikuhara, Y. Mater. Trans. 2004, 45, 2137. doi: 10.2320/matertrans.45.2137
(29) Neyman, K. M.; Inntam, C.; Moskaleva, L. V.; Rösch, N. Chem. Eur. J. 2007, 13, 277. doi: 10.1002/chem.200600545
(30) Sun, C.; Stimming, U. J. Power Sources 2007, 171, 247. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.06.086

[1]	唐生龙, 王春蕾, 蒲想俊, 顾向奎, 陈重学. 水系锌离子电池嵌入负极材料TiX₂ (X = S, Se)的储锌机制[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2212037 -0 .
[2]	吴明亮, 章烨晖, 付战照, 吕之阳, 李强, 王金兰. 原子尺度钴基氮碳催化剂对析氧反应的构效关系的研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2207007 -0 .
[3]	崔同慧, 李航越, 吕泽伟, 王怡戈, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华. 大尺寸固体氧化物燃料电池的电极过程解析方法[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2011009 - .
[4]	常明凯, 胡娜, 李遥, 鲜东帆, 周万强, 王静一, 时燕琳, 刘春立. Eu(Ⅲ)在蒙脱石上的吸附及碳酸根和磷酸根对其吸附的影响[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 2003031 - .
[5]	程婷, 孙禄钊, 刘志荣, 丁峰, 刘忠范. 金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 2012006 - .
[6]	赵康宁, 李潇, 苏东. 高熵纳米合金在电化学催化中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009077 - .
[7]	李亚文, 那广仁, 罗树林, 贺欣, 张立军. 全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质[J]. 物理化学学报, 2021, 37(4): 2007015 - .
[8]	叶耀坤, 胡宗祥, 刘佳华, 林伟成, 陈涛文, 郑家新, 潘锋. 锂离子电池正极材料中的极化子现象理论计算研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2011003 - .
[9]	孙建川, 王旭辉, 陈帅奇, 廖艳清, 郜阿旺, 胡雨昊, 杨涛, 徐向宇, 王颖霞, 宋家庆. 由单层薄水铝石制备的活性氧化铝处理水中氟离子[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 1911009 - .
[10]	王文元, 张杰夫, 李喆, 邵翔. 单原子分散的Au/Cu(111)表面合金的表面结构与吸附性质[J]. 物理化学学报, 2020, 36(8): 1911035 - .
[11]	孙冠卿, 易宗霖, 魏涛. 胶体颗粒稳定的界面及胶体颗粒在界面的相互作用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(10): 1910005 - .
[12]	韩萌茹,周亚男,周旋,储伟. 通过g-C₃N₄担载MNi₁₂ (Fe, Co, Cu, Zn)纳米团簇调节甲烷化[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 850 -857 .
[13]	姜哲,于飞,马杰. 石墨烯基吸附剂的设计及其对水中抗生素的去除[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 709 -724 .
[14]	施王影, 贾川, 张永亮, 吕泽伟, 韩敏芳. 固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 509 -516 .
[15]	何妍,李豪,周莉,徐婷,彭昌军,刘洪来. 新型芳香三嗪超交联多孔聚合物去除水溶液中甲基橙[J]. 物理化学学报, 2019, 35(3): 299 -306 .

第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构

First-Principles Study on the Microstructure of Triple-Phase Boundaries in the Ni/Yttria-Stabilized Zirconia Anode

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