Back-exchange: a novel approach to quantifying oxygen diffusion and surface exchange in ambient atmospheres

文献情報

出版日 2017-04-27
DOI 10.1039/C7CP01317E
インパクトファクター 3.676
著者

Samuel J. Cooper, Mathew Niania, Franca Hoffmann, John A. Kilner


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要旨

A novel two-step Isotopic Exchange (IE) technique has been developed to investigate the influence of oxygen containing components of ambient air (such as H2O and CO2) on the effective surface exchange coefficient (k*) of a common mixed ionic electronic conductor material. The two step ‘back-exchange’ technique was used to introduce a tracer diffusion profile, which was subsequently measured using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). The isotopic fraction of oxygen in a dense sample as a function of distance from the surface, before and after the second exchange step, could then be used to determine the surface exchange coefficient in each atmosphere. A new analytical solution was found to the diffusion equation in a semi-infinite domain with a variable surface exchange boundary, for the special case where D* and k* are constant for all exchange steps. This solution validated the results of a numerical, Crank-Nicolson type finite-difference simulation, which was used to extract the parameters from the experimental data. When modelling electrodes, D* and k* are important input parameters, which significantly impact performance. In this study La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF6428) was investigated and it was found that the rate of exchange was increased by around 250% in ambient air compared to high purity oxygen at the same pO2. The three experiments performed in this study were used to validate the back-exchange approach and show its utility.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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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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