Published April 30, 2020 | Version v1
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Investigation of the oxygen transport properties in acceptor- and donor-doped cerium oxide

Description

The oxygen transport properties of different ceria compositions were studied. The two fundamental questions of this work were: 1) Is there a fundamental difference in the diffusion properties of the two oxygen point defects; namely oxygen vacancies and oxygen interstitials? 2) How is the oxygen surface exchange coefficient influenced by the electronic structure of the material, which can be changed through acceptor or donor doping and is the oxygen surface exchange coefficient dependent on the surface orientation of the system. To answer these questions a combination of experimental and theoretical methods was employed. The experimental methods included conductivity relaxations measurements and oxygen isotope exchange experiments with subsequently analysis by secondary ion mass spectrometry. The theoretical methods used were molecular-dynamics simulations and finite-element modelling. A fundamental difference in the diffusion properties of the two oxygen point defects was found; at a given temperature oxygen vacancies were more mobile than oxygen interstitials. Additionally, a lower activation enthalpy of migration was obtained for the vacancy migration than for the interstitial migration. Regarding the surface properties the initial question could not be fully answered. For ceria thin films with different surface orientations different oxygen surface exchange coefficients were obtained. The highest surface exchange coefficient was obtained for the (111) oriented surface. Regarding the dependence on the electronic structure of the system no concluding answer was found due to the following reason: For all considered ceramic samples a strong enrichment of silica was observed at the surface. This unspecified silica phase prevented quantification of the surface exchange coefficient.

Availability note (English)

Also available from: http://dx.doi.org/10.18154/RWTH-2020-07751

Abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wurden die Sauerstofftransporteigenschaften in verschiedenen Ceroxidsystemen untersucht. Die zwei zentralen Fragen, die in der vorliegenden Arbeit beantwortet werden sollten, waren:1) Welche fundamentalen Unterschiede existieren zwischen den beiden Sauerstoffpunktdefekten, Sauerstoffleerstellen und Sauerstoffzwischengitterionen, in Bezug auf ihre Diffusionseigenschaften in Ceroxid? 2) Wie ist die Abhängigkeit des Sauerstoffaustauschkoeffizienten von der elektronischen Struktur des Materials, die durch Akzeptor- oder Donator-Dotierung signifikant beeinflusst werden kann und wie von der Oberflächenorientierung des Materials? Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden verwendet. Experimentell wurden Leitfähigkeitsrelaxations-messungen und Sauerstoffisotopenaustauschexperimente, welche mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie analysiert wurden, durchgeführt. Die theoretischen Methoden umfassten molekulardynamische Simulationen und Finite-Elemente Modellierung. In der Arbeit konnten fundamentale Unterschiede in den Diffusionseigenschaften der beiden betrachteten Sauerstoffpunktdefekte festgestellt werden. Sauerstoffleerstellen waren bei gegebener Temperatur mobiler als Sauerstoffzwischengitterionen. Gleichzeitig wurde eine geringere Aktivierungsenthalpie der Migration für Sauerstoffleerstellen als für Sauerstoffzwischengitterionen gefunden. Bezüglich der Oberflächeneigenschaften konnten die Fragestellungen nur eingeschränkt beantwortet werden. Für verschieden orientierte Ceroxiddünnschichtproben wurden unterschiedliche Sauerstoffaustauschraten ermittelt. Die (111)-orientierte Oberfläche zeigte dabei die höchste Sauerstoffaustauschrate. Bezüglich der elektronischen Struktur konnte keine abschließende Antwort gefunden werden, da die verwendeten Ceroxidkeramiken eine signifikante Oberflächenverunreinigung in Form einer Silikatphase aufwiesen. Dies machte eine Quantifizierung des Sauerstoffaustauschkoeffizienten unmöglich.

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Original title (German)
Untersuchung der Sauerstofftransporteigenschaften in akzeptor- und donator-dotiertem Ceroxid

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Imprint Pagination
159 p.
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INIS-DE--3340

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