بررسي نظري تهي جاي اكسيژن در الكتروليت پيل سوختي اكسيد جامد

Theoretical study of oxygen vacancy in the electrolyte solid oxide fuel cell (SOFC)

زیركونیا (ZrO2) یكی از مواد مهم و اثرگذار در پیل های سوختی سرامیكی است كه به دلیل هدایت یونی بالای این ماده از آن در الكترولیت پیل سوختی اكسید جامد استفاده می شود. برای پایدارسازی این ساختار و ایجاد تهی جای اكسیژن از اكسید كلسیم (CaO) استفاده شده است. آلاییدن اكسید زیركونیم با اكسید كلسیم موجب می شود تا اتم كلسیم جایگزین اتم زیركونیم شده و به ازای هر اتم كلسیم یك تهی جای اكسیژن جهت خنثی سازی بار، تولید شود. ابتدا تهی جای اكسیژن در ساختار سلول واحد (Zr4O8)ZrO2 توسط نظریه تابع چگالی DFT شبیه سازی شده است. ابر شبكه تشكیل شده با افزودن 16 درصد مول CaO به ZrO2 در حالت های مختلف مورد بررسی قرار گرفته و انرژی تشكیل تهی جای اكسیژن برای دو ساختار Zr11 Ca1 O23 , Zr12 O23 بدست آمده است. نتایج بدست آمده حاكی از آن است كه تزریق یك ناخالصی اكسیدی دوظرفیتی ضمن پایداری فاز مكعبی فلوریتی الكترولیت باعث افزایش غلظت تهی جای های یونهای اكسیژن و در نهایت باعث افزایش هدایت یونی الكترولیت می گردد. بنابراین اضافه كردن 16% مول كلسیم به 84% مول ZrO2 و بهینه سازی آن، می تواند موجب افزایش پایداری ساختار و عملكرد بهتر الكترولیت در پیل سوختی اكسید جامد شود.

Zirconia (ZrO2) is one of the most important and effective material in the ceramic fuel cells. Because of its high ionic conductivity it is used in the electrolyte of SOFC. Calcium oxide has been used for stabilization of its structure and creation of oxygen vacancies. Doping of calcium atoms in Zirconium oxide causes the replacement of calcium atoms by zirconium atoms. For charge neutralization of each calcium atom an oxygen vacancy is created. The vacancy of oxygen in the cell structure of ZrO2 (Zr4O8) is simulated by density functional theory (DFT). A supercell formed by adding of 16% CaO in ZrO2 in different modes. The energy of oxygen vacancy was obtained for two structures of Zr12 O23 and Zr11 Ca1 O23. The results show that the injection of an impurity divalent oxide in addition to the stability of the cubic phase fluorite electrolyte leading to increases concentration of oxygen ions vacancy and finally it increase the ionic conductivity of the electrolyte. By adding 16% mole calcium to 84% mole ZrO2 and optimization could increase the stability of electrolyte and its performance in SOFC