بررسی اثر آلایش ایتریوم بر نفوذ یون اکسیژن در زیرکونیا با استفاده از روش DFT در بهبود طراحی الکترولیت های SOFC

امروزه سلول های سوختی اکسید جامد (SOFCs) به عنوان یک فناوری درحال توسعه در راستای تولید انرژی پاک و پایدار، کانون توجه محققین در حوزه انرژی و محیط زیست قرار گرفته اند. الکترولیت به عنوان قلب SOFC یکی از ارکان اصلی این سلول ها به شمار می آید. به منظور بهینه سازی و کاهش دمای عملیاتی SOFC ها، ارائه راه حل هایی در خصوص افزایش رسانش نفوذ یون اکسیژن در این الکترولیت ها ضروری است. از جمله این راه حل ها، می توان به آلایش الکترولیت با عناصر آلایشی اشاره کرد. لذا هدف اصلی این تحقیق، بررسی تاثیر آلایش عنصر ایتریم بر نفوذ  یون اکسیژن در زیرکونیا (به عنوان رایج ترین الکترولیت تجاری) است. در این پژوهش، با استفاده از محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT)، اثر آلایش و جایگاه ایتریم بر انرژی فعال سازی مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا براساس پیوند های اکسیژن (اکسیژن های سه گانه یا چهارگانه) سه نوع مسیر نفوذ متفاوت در نظر گرفته شد و سپس اثر ایتریم بر نفوذ یون اکسیژن مورد بررسی قرار گرفت. به طورکلی نتایج نشان می دهد که عنصر ایتریم فارغ از جایگاه آلایش خود در زیرکونیا، انرژی فعال سازی نفوذ یون اکسیژن را کاهش می دهد. با این وجود، جایگاه ایتریم نسبت به مسیر نفوذ، تاثیر چشم گیری بر انرژی فعال سازی می گذارد به نحوی که اکسیژن ترجیح می دهد از مسیری نفوذ کند که ایتریم در آن حضور نداشته باشد. همچنین نتایج حاکی از آن است که عنصر ایتریم باعث ایجاد جایگاه های ترجیحی اکسیژن در ساختار می شود.