Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit

Mục đích của Luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và nồng độ tạp chất đối với hệ số khuếch tán và độ dẫn ion của các vật liệu khối oxit có cấu trúc fluorit là CeO2, c-ZrO2, YDC và YSZ. Đối với các màng mỏng YDC và YSZ, luận án bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng biên hạt và chất nền, và bước đầu nghiên cứu 2 quy luật phụ thuộc của hệ số khuếch tán và độ dẫn ion vào bề dày màng mỏng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ????? Lê Thu Lam CÁC ĐẶC TÍNH KHUẾCH TÁN VÀ DẪN ĐIỆN CỦA CÁC VẬT LIỆU OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 9.44.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội, 2020 LUẬN ÁN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THANH HẢI PGS.TS. BÙI ĐỨC TĨNH Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hồng Quang Viện Vật lý Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Như Đạt Trường Đại học Duy Tân Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thị Hòa Trường Đại học Giao thông vận tải Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp TRƯỜNG họp tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội vào hồi giờ ngày tháng năm 2020. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: 1. Thư viện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Thư viện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) có độ dẫn ion cao hiện đang là nguồn năng lượng tái tạo đầy tiềm năng. Để nâng cao hiệu suất hoạt động và thương mại hóa SOFC, cần có các nghiên cứu sâu sắc về các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết trước đây về các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit khối có cấu trúc fluorit mới chỉ dựa vào các lý thuyết đơn giản đối với các dao động nhiệt trong mạng tinh thể và bỏ qua sự phân bố ưu tiên của nút khuyết oxi xung quanh tạp chất. Độ dẫn ion của vật liệu khối không pha tạp có các nút khuyết oxi được sinh ra dưới ảnh hưởng của nhiệt độ đã được tính toán bằng PPTKMM. Tuy nhiên, đối với các vật liệu pha tạp có các nút khuyết oxi sinh ra do tạp chất thì cần xây dựng mô hình tính toán mới. Ngoài ra, hiện còn thiếu các phương pháp lý thuyết nghiên cứu các màng mỏng oxit có cấu trúc fluorit và các phương pháp thực nghiệm đã thu được các kết quả trái ngược nhau về ảnh hưởng của bề dày đối với độ dẫn ion của màng mỏng. Với các lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài:“Các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và nồng độ tạp chất đối với hệ số khuếch tán và độ dẫn ion của các vật liệu khối oxit có cấu trúc fluorit là CeO2 , c-ZrO2 , YDC và YSZ. Đối với các màng mỏng YDC và YSZ, luận án bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng biên hạt và chất nền, và bước đầu nghiên cứu 2 quy luật phụ thuộc của hệ số khuếch tán và độ dẫn ion vào bề dày màng mỏng. 3. Phương pháp nghiên cứu PPTKMM được chúng tôi sử dụng để tính đến ảnh hưởng của hiệu ứng phi điều hòa của dao động mạng tinh thể đối với các đặc tính khuếch tán và đặc tính dẫn điện của các vật liệu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các kết quả của luận án đối với con đường di chuyển ưu tiên của nút khuyết oxi, tương tác nút khuyết-tạp chất, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, tạp chất và bề dày màng mỏng đối với hệ số khuếch tán và độ dẫn ion đã cung cấp các thông tin quan trọng về các đặc tính khuếch tán và dẫn điện trong các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit. Các kết quả có được về các ảnh hưởng của tạp chất và bề dày màng mỏng đối với độ dẫn ion có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu điện phân có độ dẫn ion cao hoạt động trong SOFC. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã xây dựng được mô hình lý thuyết mới sử dụng PPTKMM nghiên cứu các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit từ đơn giản đến phức tạp. So với mô hình tính toán trước kia áp dụng cho CeO2 , mô hình tính toán của luận án có ưu điểm là đã tìm ra con đường di chuyển ưu tiên của nút khuyết oxi trong CeO2 và c-ZrO2 . Một số kết quả tính toán của vật liệu khối gần các kết quả thực nghiệm hơn so với các kết quả nghiên cứu lý thuyết khác. Các kết quả có được về các màng mỏng oxit có cấu trúc fluorit bổ sung các nghiên cứu thực nghiệm. 6. Cấu trúc luận án Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, nội dung Luận án được trình bày trong 4 chương. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH KHUẾCH TÁN VÀ DẪN ĐIỆN CỦA CÁC VẬT LIỆU OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT 1.1. Các vật liệu oxit cấu trúc fluorit Tinh thể ceria (CeO2 ) và zirconia pha lập phương (c-ZrO2 ) với cấu trúc fluorit “mở” góp phần thúc đẩy các nút khuyết oxi khuếch tán trong không gian của mạng tinh thể. Tuy nhiên, các nút khuyết oxi được tạo ra do ảnh hưởng của nhiệt độ tồn tại với nồng độ rất thấp bởi năng lượng hình thành nút khuyết oxi cao. Do đó, khả năng dẫn điện của CeO2 và c-ZrO2 là rất kém. Pha tạp yttria Y2 O3 vào CeO2 (YDC) và c-ZrO2 (YSZ) làm bền hóa pha lập phương của c-ZrO2 tới nhiệt độ phòng và làm tăng nồng độ các nút khuyết oxi. Sự di chuyển của các nút khuyết oxi xảy ra nhờ sự trao đổi vị trí với các ion O2− ở các vị trí lân cận đối diện. Tuy nhiên, sự di chuyển của các nút khuyết oxi bị cản trở bởi lực đẩy nút khuyết-nút khuyết và lực liên kết nút khuyết-tạp chất. Màng mỏng có tỉ số diện tích bề mặt/thể tích lớn và nồng độ biên hạt cao. Sự hình thành và di chuyển nút khuyết oxi tại bề mặt và biên hạt có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành và di chuyển nút khuyết oxi trong toàn màng mỏng. Nhờ có độ dẫn ion cao nên các tinh thể có cấu trúc fluorit được ứng dụng phổ biến làm chất điện phân trong các pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). 1.2. Các phương pháp nghiên cứu ...