氧化钆掺杂氧化铈势函数的综述.pdf

氧化钆掺杂氧化势函数的综述/陈云俊等
氧化钆掺杂氧化铈势函数的综述*
陈云俊,孙毅,崔志伟,康高英
(哈尔滨工业大学航天科学与力学系,哈尔滨150001)
摘要掺杂氧化钆的氧化節(GDC)作为电解质被广泛用于固体氧化物燃料电池中。由于实验条件的限制,多
采用分子动力学模拟技术研究GDC的相关性能。目前学术界存在几类描述GDC的势函数及对应的参数,但并没有
文献对此做过较系统的总结。总结了目前广泛使用的几类参数,详细描述了各类参数的发展历程,分析了各自的优
势及使用范围,并根据现有情况对该领域的可能趋势进行了大致的推断。
关键词电解质掺杂氧化钆的氧化铈分子动力学模拟势参数
Review of Potential Parameters for Gadolinium Doped Ceria
CHEN Yunjun, SUN Yi, COI Zhiwei, KANG Gaoying
(Department of Space Science and Mechanics, Harbin Institution of Technology, Harbin 150001)
Abstract
gadolinium doped ceria(GD) has been applied in solid state fuel cell as the main candidate electro
lyte. Due to the limitation of the experiment conditions, the properties of G are always investigated by molecular
dynamics (MD)simulations. In the past few decades, several potential parameters have been developed to describe the
interactions between ions. Since the validity and reliability of the potentials are crucial to MD simulations, distinct pa
rameters may lead to reverse results. However, to the authors'knowledge, no reviews about the parameters are pro
posed in details. The benefits of the potentials are summarized above. And further comparison is provided to forecast
the development trend of the potentials.
Key words electrolyte, gadolinium doped ceria, molecular dynamics simulation, potential parameter
0引言
GDC膜的破坏过程包含了晶体中空位的产生、空位的形核及
微裂纹的出现、扩展等现象,在这些行为发生的同时又会影
当前,随着能源短缺和环境污染对人类的压力越来越响材料中空位的分布,从而影响电解质膜的导电性能,因此
大,全世界正在努力寻找一种全新的替代能源。作为新型高这是一个力学场和电化学场耦合的复杂问题。目前虽然有
效的洁净能源,燃料电池发电技术在世界范围内引起了普遍一些实验及相关理论对这类现象进行过一些说明,但要清晰
关注,其中高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全描述晶体中由空位发展到裂纹的这一过程以及其与电学性
固态结构、更高的能量利用率以及燃料多样性等突出优势发能耦合的关系,分子动力学结合有限元可能是最好的办
展得最快2
法
电解质作为SOFC的核心材料一直以来都是科研人员
分子动力学模拟(MD)能从原子的尺度下清晰地反映晶
关注的重点。目前应用较为成熟的电解质材料是氧化钇体中发生的一些性能演化规律,此前曾被广泛用于研究电解
(Y2O2)稳定的氧化锆(Zr2O3)(简称YSZ)。然而,由于YSZ质膜的相关性能。 Brinkman用MD模拟了YSZ中氧原子的
要求的工作温度较高,增加了材料制造的成本,而且较高的扩散行为并分析了其原理2; Arima模拟了YSZ在不同温
工作温度也限制了其使用范围,。因此,具有高传导率、低度以及掺杂浓度下晶格结构的变化; Devanatha用MD计
工作温度的掺杂氧化铈(CeO2)基电解质开始受到重视,目前算了YSZ不同浓度下的活化能; Hideko用MD计算了
应用较广的是氧化钆(Gd2O))掺杂的氧化铈(简称GDC)。YSZ在不同掺杂浓度下的热膨胀系数可; Baudin利用MD
GDC可以在中低温下工作(如700K),且在相同温度下GDC计算了CeO2表面原子的运动; Guglielmetti利用MD计
的电导率平均要比YSZ高1个量级以上。
算了CeO2缺陷的形成及结合能等情况?。
当氧分压较低时,Ce会被还原为Cet,导致电子导电,
势函数描述了模型中所有粒子相互之间的作用形势,是
从而影响材料的电性能,而且在此过程中会产生新的氧空整个模拟的基础。虽然MD模拟的积分方法、时间步等因素
位,同时电解质膜会发生膨胀,当空位浓度达到一定程度时,也较为重要,但其核心因素仍然是所选择的势函数及参数。
电解质膜两侧的气体直接接触,使材料失去导电性能的。如果势函数及参数选择不合理,无论如何调节其他因素都无
米国家自然科学基金(10972066);黑龙江省杰出青年基金资助项目
陈云俊:男,1986年生,博士生E-mail:yuncheng986@yahoo.comcn孙毅:通讯作者,博导,教授E-mail:sunil@hit.edu.cn