Entropic stabilization plays a key role in the non-uniform distribution of oxygen ions and vacancy defects in gadolinium-doped ceria

文献情報

出版日 2020-11-25
DOI 10.1039/D0CP03743E
インパクトファクター 3.676
著者

Methary Jaipal, Bharathi Bandi, Abhijit Chatterjee


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要旨

Gadolinium-doped ceria (GDC) is an important fast oxygen ion conductor. O2−-ion hopping in different cation environments of GDC is probed using molecular dynamics (MD). We find that at equilibrium, the O2−-ions and vacancy defects arrange themselves around the relatively immobile cations in a way such that pairs of O2−-ions and vacancy defect (O2−–vac pair) are in greater numbers in some cation environments than others. The difference in O2−–vac pair numbers is shown to originate from entropic effects in the cation environments. As a consequence of the entropic effect, the O2−–vac pair distribution is practically independent of temperature between 974 and 1874 K. Even the O2− ion hopping rate and barrier are influenced by the entropic effect. This observation is in stark contrast with the standard belief that energetic interactions dominate in solid oxide materials, and entropic factors can be ignored. By analyzing the cation environment effect using k-means clustering, nine environment clusters are identified that are associated with unique values of the activation barrier and entropy. Comparisons to yttria stabilized zirconia (YSZ), yet another popular fast oxygen ion conductor, are made.

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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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