Extreme high temperature redox kinetics in ceria: exploration of the transition from gas-phase to material-kinetic limitations

文献情報

出版日 2016-07-18
DOI 10.1039/C6CP01935H
インパクトファクター 3.676
著者

Timothy C. Davenport, Chirranjeevi Balaji Gopal


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要旨

The redox kinetics of undoped ceria (CeO2−δ) are investigated by the electrical conductivity relaxation method in the oxygen partial pressure range of −4.3 ≤ log(pO2/atm) ≤ −2.0 at 1400 °C. It is demonstrated that extremely large gas flow rates, relative to the mass of the oxide, are required in order to overcome gas phase limitations and access the material kinetic properties. Using these high flow rate conditions, the surface reaction rate constant kchem is found to obey the correlation log(kchem/cm s−1) = (0.84 ± 0.02) × log(pO2/atm) − (0.99 ± 0.05) and increases with oxygen partial pressure. This increase contrasts the known behavior of the dominant defect species, oxygen vacancies and free electrons, which decrease in concentration with increasing oxygen partial pressure. For the sample geometries employed, diffusion was too fast to be detected. At low gas flow rates, the relaxation process becomes limited by the capacity of the sweep gas to supply/remove oxygen to/from the oxide. An analytical expression is derived for the relaxation in the gas-phase limited regime, and the result reveals an exponential decay profile, identical in form to that known for a surface reaction limited process. Thus, measurements under varied gas flow rates are required to differentiate between surface reaction limited and gas flow limited behavior.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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