基于四面体的阴离子导体材料的分子动力学模拟和第一性原理计算

发布时间：2025-06-19 03:02

　　固态离子导体材料在能量的储存和转换,清洁生产等领域有着广泛的应用,比如燃料电池、太阳能电池和传感器等。其可分为阳离子导体和阴离子导体。本学位论文研究的是基于四面体的阴离子导体主要是氧离子导体材料,其多由于结构中四面体较好的柔韧性而具有高离子导电性能,但实验上很难对材料中的间隙或者空位氧缺陷的稳定存在和迁移做出微观解释,因此我们运用基于经典力学的静态晶格模拟和分子动力学模拟以及基于量子力学的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算对其进行理论模拟,为解释实验结果和研发新的离子导电材料提供了可靠的理论支撑。具体的研究内容如下:1.针对白钨矿基CeNbO_4+x（x=0、0.08、0.25和0.33）氧离子导体的四种不同组成分别进行了详细的分子动力学模拟,发现只有在含有过量氧的组分中才会有氧离子的迁移,并且CeNbO_4.08和CeNbO_4.25两个组分具有相似的迁移机理,总结了两种不同的氧离子迁移路径并提出在忽略较长的Nb-O键时氧离子的迁移可以用Nb₂O₉二聚体的断裂和重组来解释。而由于C...

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1以Zr O2和CeO2为例的萤石型晶体结构(AO2)。红色球体代表O2-离子,小的紫色球体代表A4+离子。

大多数传统的氧离子导体材料都有着萤石型的晶体结构。化学式为AO2,其中A为四价的阳离子[3]。他们的结构如图1.1所示,阳离子占据了立方晶胞中的面心位置,而阴离子在他们之间的八个四面体位点中。最著名的萤石型氧离子导体是受体掺杂的ZrO2。纯的氧化锆并不是一个好的离子导体,而且只有....

图1.2(a)和(b)为立方钙钛矿结构LaGaO3的两种不同表现形式;大的红色球体表示O2-离子,浅绿色球表示La3+离子,小的蓝色球表示Ga3+离子

在ABO3型钙钛矿结构中,如图1.2所示,半径较大A位阳离子和它周围的12个阴离子配位,而B位阳离子占据了六配位点,形成了顶点共享的BO6八面体结构。一个广泛被研究的在中温区SOFCs上具有应用前景的钙钛矿型氧离子导体是掺杂的LaGaO3。具有通式La1-xSrxGa1-yM....

图1.3 La9.33(SiO4)6O2磷灰石结构。可以看到SiO4四面体,沿着c轴排列的La2离子通道以及La1离子和O4离子占据的通道。La2空位为了清晰并没有显示。

磷灰石型氧离子导体的通式可以写成M10(XO4)6O2±y其中M一般为稀土元素或碱土金属元素,X一般为P、Si或Ge,y是氧的非化学计量比数。而已经被报道的最好的磷灰石氧离子导体是含镧的Si基和Ge基磷灰石。Si(Ge)基磷灰石结构主要是由孤立的Si(Ge)O4四面体组成,他们沿....

图1.4由扭曲的Ga O4四面体组成的LaBaGaO4晶体结构图。可以看到La和Ba原子在结构中呈层状有序排列。

最近,一系列包含GaO4四面体单元的材料被报道出来具有高氧离子导电性能[29-32]。其中,La1-xBa1+xGaO4-x/2材料显示出了质子导电(尤其是低于700℃时)和氧离子导电的双重性质[29,30]。母体LaBaGaO4采用了β-K2SO4型结构[29],Ga....

本文编号：4050753