نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان
2 دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان
چکیده
امروزه سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFCs) به عنوان یک فناوری درحال توسعه در راستای تولید انرژی پاک و پایدار، کانون توجه محققین در حوزۀ انرژی و محیط زیست قرار گرفته‌اند. الکترولیت به عنوان قلب SOFC یکی از ارکان اصلی این سلول‌ها به شمار می‌آید. به منظور بهینه‌سازی و کاهش دمای عملیاتی SOFCها، ارائه راه حل‌هایی در خصوص افزایش رسانش نفوذ یون اکسیژن در این الکترولیت‌ها ضروری است. از جمله این راه‌حل‌ها، می‌توان به آلایش الکترولیت با عناصر آلایشی اشاره کرد. لذا هدف اصلی این تحقیق، بررسی تأثیر آلایش عنصر ایتریم بر نفوذ یون اکسیژن در زیرکونیا (به عنوان رایج‌ترین الکترولیت تجاری) است. در این پژوهش، با استفاده از محاسبات نظریۀ تابعی چگالی(DFT)، اثر آلایش و جایگاه ایتریم بر انرژی فعالسازی مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا براساس پیوندهای اکسیژن (اکسیژن‌های سه‌گانه یا چهارگانه) سه نوع مسیر نفوذ متفاوت در نظر گرفته شد و سپس اثر ایتریم بر نفوذ یون اکسیژن مورد بررسی قرار گرفت. به طورکلی نتایج نشان می‌دهد که عنصر ایتریم فارغ از جایگاه آلایش خود در زیرکونیا، انرژی فعالسازی نفوذ یون اکسیژن را کاهش می‌دهد. با این وجود، جایگاه ایتریم نسبت به مسیر نفوذ، تأثیر چشم‌گیری بر انرژی فعالسازی می‌گذارد به نحوی که اکسیژن ترجیح می‌دهد از مسیری نفوذ کند که ایتریم در آن حضور نداشته باشد. همچنین نتایج حاکی از آن است که عنصر ایتریم باعث ایجاد جایگاه‌های ترجیحی اکسیژن در ساختار می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigation of the Effect of Yttrium Doping on Oxygen Ion Diffusion in Zirconia using DFT Method for Enhancing SOFC Electrolyte Design
نویسندگان [English]
- MohammadAli Ahmadzadeh 1
- Masoud Panjepour 1
- S. Javad Hashemifar 2
1 Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Department of Physics, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) have gained significant attention as a developing technology for clean and sustainable energy production. The electrolyte, a key component of SOFCs, is crucial in optimizing their performance. Enhancing oxygen ion conductivity in these electrolytes is essential for improving the efficiency and reducing the operating temperature of SOFCs. One effective approach is doping the electrolyte with impurity elements. Thus, the main objective of this research is to investigate the influence of yttrium doping on oxygen ion diffusion in zirconia, the most commonly used commercial electrolyte. Using Density Functional Theory (DFT) calculations, the effect of yttrium doping and its position on the activation energy was examined. The results indicate that yttrium, regardless of its doping position in zirconia, reduces the activation energy for oxygen ion diffusion. However, the position of the yttrium significantly affects the diffusion pathway, as oxygen prefers to diffuse through a path where the yttrium is absent. Furthermore, the results suggest that yttrium creates preferred oxygen vacancy sites within the structure.
کلیدواژه‌ها [English]
- solid oxide fuel cell
- solid electrolyte
- density functional theory
- ionic diffusion
- atomic doping
- E D Coyle and R A Simmons, “Understanding the global energy crisis”, Purdue University Press (2014).
- T H Shin, et al., Sustainable Energy & Fuels 1 (2017) 103.
- S Dwivedi, International Journal of Hydrogen Energy 45 (2020) 23988.
- T S Lee, J N Chung, and Y -C Chen, Energy Conversion and Management 52 (2011) 3214.
- A B Stambouli and E. Traversa, Renewable and Sustainable Energy Reviews 6 (2002) 433.
- S Park, J M Vohs, and R J Gorte. Nature 404 (2000) 265.
- Q Xue, et al., Physical Review Applied 10 (2018) 14032.
- N Mahato, et al., Progress in Materials Science 72 (2015) 141.
- Y Mansilla, et al., Materials Today: Proceedings 14 (2019) 92.
- S Zhang, C Savaniu, and J T Irvine, ECS Transactions 91 (2019) 1111.
- T Yamaguchi, Catalysis Today 20 (1994) 199.
- E Długoń, et al., Surface and Coatings Technology 331 (2017) 221.
- G S , Kaliaraj, et al., Ceramics International 44 (2018) 14940.
- Grover, R. Shukla, and A. Tyagi, Scripta Materialia 57 (2007) 699.
- Savioli, and G.W. Watson, Current Opinion in Electrochemistry 21 (2020) 14.
- H Xu, et al., Journal of Power Sources 441 (2019) 227152.
- A Kushima, and B Yildiz, ECS Transactions 25 (2009) 1599.
- R Pornprasertsuk, et al., Journal of Applied Physics 98 (2005) 10.
- J Koettgen, et al., Chemistry Chemical Physics 20 (2018) 14291.
- L T Lam, V V Hung, and B D Tinh, Journal of the Korean Physical Society 75 (2019) 293.
- M Singh, D Zappa, and E Comini, International Journal of Hydrogen Energy 46 (2021) 27643.
- Q Xu, et al., Conversion and Management 253 (2022) 115175.
- A Chroneos, et al., Energy & Environmental Science 4 (2011) 2774.
- C Howard, R Hill, and B Reichert, Acta Crystallographica Section B: Structural Science 44 (1988) 116.
- J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof, Physical Review Letters 77 (1996) 3865.
- H J Monkhorst and J D Pack, Physical Review B 13 (1976) 5188.
- J Yang, M Youssef, and B Yildiz, Physical Review B 97 (2018) 24114.
- D Packwood, et al., The Journal of Chemical Physics, 144 (2016) 164109.
- T A Halgren, and W N Lipscomb, Chemical Physics Letters 49 (1977) 225.
- Y Pan, and J Zhang,. Vacuum 187 (2021) 110112.
- J Li et al., Journal of Advanced Ceramics 6 (2017) 43.
- B Bondars, et al.,. Journal of Materials Science 30 (1995) 1621.
- G -M Rignanese, Journal of Physics: Condensed Matter 17 (2005) 357.
- F Giustino, “Materials modelling using density functional theory: properties and predictions”, Oxford University Press (2014).
)