بررسی نظری پایداری زیرکونیای آلاییده با کلسیم در پیل سوختی اکسید جامد

زیرکونیا (ZrO2) یکی از مواد اثر گذار در پیل های سوختی سرامیکی است که به دلیل هدایت الکتریکی بالای این ماده از آن بعنوان الکترولیت استفاده می شود. برای پایدارسازی این ساختار از اکسید کلسیم (CaO) استفاده می شود. آلاییدن اکسید زیرکونیم با اکسید کلسیم موجب می شود تا اتم کلسیم جایگزین اتم زیرکونیم شده و به ازای هراتم کلسیم برای خنثی سازی بار نیاز به تولید یک تهی جای اکسیژن است. در این مقاله با استفاده از نظریه تابعی چگالی (DFT) به شبیه سازی این ساختار زیرکونیا پرداخته و از نقطه نظر انرژی به بررسی پایداری آن در اثر افزودن کلسیم به ساختار پرداخته شده است. در این محاسبات ابر شبکه تشکیل شده برای زیرکونیا با افزودن 16 درصد مول CaO به ZrO2 در حالت های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است و برای سه ساختار (Zr11 Ca1 O23 ,Zr10 Ca2 O22) محاسبات انجام شده است و بر اساس این مجموعه محاسبات با کاستن هر اتم Zr و جایگزینی Ca در آن انرژی سیستم کاهش یافته است که این امر نشان می دهد که ساختار حاصل پایدار تر شده است. همچنین تهی جای های اکسیژن در ساختار که ناشی از اضافه کردن کلسیم بوجود می آید مورد مطالعه قرار گرفت و انرژی تشکیل تهی جای اکسیژن برای ساختار Zr11Ca1O23 محاسبه شده است. همچنین محاسبه انرژی جابجایی (انرژی جابجایی جای خالی اکسیژن که تفاوت انرژی نقطه زینی و انرژی حالت اولیه تعریف می شود) برای ساختار Zr10Ca2O22 با جای خالی های متفاوت ، انجام شده است که با نتایج گزارش شده تطابق خوبی دارد. در نتیجه اضافه کردن اتم کلسیم در ساختار ZrO2 منجر به پایداری آن خواهد شد که با اضافه کردن 16% مول کلسیم به 84 % مول ZrO2 می توانیم به پیل سوختی با قابلیت مناسب تر دست یابیم

کلیدواژه ها:

الکترولیت پیل های سوختی اکسید جامد ، انرژی تهی جای یونی ، انرژی جابجایی تهی جای اکسیژن ، زیرکونیای پایدارشده ، CaO ، DFT