[논문 리뷰] Protons in lattice confinement: Static pressure on the Y-substituted, hydrated BaZrO3 ceramic proton conductor decreases proton mobility

Qianli Chen, Artur Braun외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 06.

Advancements in Solid Oxide Fuel CellsMaterials Science참고 문헌 18인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 고정 압력(1–2 GPa) 하에서 Y 도핑된 수화 BaZrO3 세라믹 수소 이온 도핑체의 수소 이온 이동성에 영향을 미치는 요인을 조사한다. 임피던스 분석을 통해 압력 증가에 따라 격자 압축으로 인해 격자 내 수소 이온 이동성이 감소하는 것으로 밝혀졌으며, 반면 입자 경계 저항은 압력에 의해 유도된 소결로 감소함을 확인하였다. 이는 격자 팽창이 얇은 필름 응용 분야에서 수소 이온 도핑체의 전도성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Yttrium substituted BaZrO3, with nominal composition BaZr0.9Y0.1O3, a ceramic proton conductor, was subject to impedance spectroscopy for temperatures 300 K < T < 715 K at mechanical pressures 1 GPa < p < 2 GPa. The activation energies Ea of bulk and grain boundary conductivity from two perovskites synthesized by solid-state reaction and sol-gel method were determined under high pressures. At high temperature, the bulk activation energy increases with pressure by 5% for sol-gel derived sample and by 40% for solid-state derived sample. For the sample prepared by solid-state reaction, there is a large gap of 0.17 eV between the activation energy at 1.0 GPa and > 1.2 GPa. The grain boundary activation energy is around a factor two times as that of the bulk, and it reaches a maximum at 1.25 - 1.5 GPa, and then decrease as the pressure increases, indicating higher proton mobility in the grain boundaries at higher pressure. Since this effect is not reversible, it is suggested that the grain boundary resistance decreases as a result of pressure induced sintering. The steady increase of the bulk resistivity upon pressurizing suggests that the proton mobility depends on the space available in the lattice. In return, an expanded lattice with a/a0 > 1 should thus have a lower activation energy, suggesting that thin films expansive tensile strain could have a larger proton conductivity with desirable properties for applications.

연구 동기 및 목표

• Y 치환된 수화 BaZrO3 세라믹 수소 이온 도핑체에서 정적 압력이 수소 이온 전도성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 격자 압축이 격자 내부 및 입자 경계 영역에서 수소 이온 이동 에너지 장벽에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 솔-젤 및 고체상 합성 방식으로 제조된 BaZrO3 시료 간의 수압 의존성 전도성 행동을 비교하는 것.
• 격자 변형이 얇은 필름 응용 분야에서 수소 이온 전도성에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 300 K에서 715 K까지의 온도 범위에서 1–2 GPa의 정적 압력을 가한 Y 도핑된 BaZrO3 시료에 대해 임피던스 분석을 수행하였다.
• 수소 이온 이동성에 미치는 미세구조적 영향을 비교하기 위해 고체상 반응 및 솔-젤 합성 두 가지 방법을 사용하였다.
• 압력 하에서의 전도도 데이터를 바탕으로 아레니우스 도표를 이용해 격자 및 입자 경계 전도성의 활성화 에너지를 추출하였다.
• 활성화 에너지 및 저항도 경향의 변화를 통해 압력에 의한 구조적 변화를 유추하였다.
• 저항도 변화의 가역성을 시험하여 압력 적용으로 인한 영구적 구조적 변화 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 압력 증가가 Y 도핑된 BaZrO3 격자 내 수소 이온 전도성의 활성화 에너지에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 입자 경계 수소 이온 전도성의 압력 의존성은 어떠한가? 이는 가역적일까, 비가역적일까?
• RQ3 다른 합성 방법(솔-젤 대비 고체상)이 수소 이온 이동성의 압력 반응에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 격자 팽창은 활성화 에너지를 감소시키고 수소 이온 전도성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 솔-젤 방식으로 제조된 시료의 격자 활성화 에너지가 압력에 의해 5% 증가하였고, 고체상 시료의 경우 40% 증가하여 격자 압축으로 인한 수소 이온 이동성 감소를 시사한다.
• 고체상 시료의 경우 1.0 GPa에서 1.2 GPa 사이에 걸쳐 0.17 eV의 급격한 활성화 에너지 증가가 관찰되어 임계 구조 전이가 발생했음을 시사한다.
• 입자 경계 활성화 에너지가 1.25–1.5 GPa에서 최고에 도달한 후 압력 증가에 따라 감소함을 확인하여, 압력에 의해 유도된 소결에 의해 수소 이온 이동성이 향상됨을 나타낸다.
• 입자 경계의 저항 감소는 비가역적이었으며, 이는 압력 적용으로 인한 영구적 미세구조 변화를 확인한다.
• 압력 증가에 따라 격자 내 저항도가 지속적으로 증가함을 통해 수소 이온 이동성이 가용 격자 공간에 의해 제한됨을 확인하였으며, 이는 인장 응력 하에서 격자가 팽창할 경우 전도성이 향상될 수 있음을 시사한다.