Defektkjemi og transport i Yb-substituert BaTbO3

Abstract

Bariumterbat, BaTbO3, er en perovskitt beslektet med BaCeO3 og BaZrO3, som begge er kjente for å ha høyest protonledningsevne blant høytemperatur protonledere. Undersøkelser har vist at akseptordopet bariumterbat tar opp vann i form av protoner og utviser protonledningsevne ved lave temperaturer. Protonledningsevne utnyttes i teknologi som for eksempel brenselceller og hydrogensensorer. Dette arbeidet har undersøkt ledningsevnen og defektkjemien til BaTb0.9Yb0.1O3-d ved hjelp av topunktsmålinger. Ledningsevnen ble målt som funksjon av temperatur, vanndamp- og oksygenpartialtrykk under oksiderende betingelser mellom 200 og 1000°C. Det er blitt fokusert på tilpasning til en ledningsevnemodell som kan resultere i termodynamiske parametere for hydratiseringen av forbindelsen. BaTb0.9Yb0.1O3-d ble syntetisert med godt resultat ved kerammetoden, og sintret til polykrystallinske tabletter som oppnådde maksimalt 81% av røntgentetthet. Prøven ble karakterisert ved hjelp av røntgendiffraksjon og sveip elektronmikroskopi. Undersøkelsene viste at forbindelsen var elektronhulledende ved høye temperaturer og at totalledningsevnen var dominert av protoner under 600°C. De dominerende defektene med hensyn på konsentrasjon ble funnet ved hjelp av totalledningsevnens avhengighet av oksygen- og vanndamppartialtrykk. Observasjonene viste at elektronøytralitetsbetingelsen besto av protoner, oksygenvakanser og akseptordoping. Termodynamiske parametere for hydratisering av forbindelsen, i tillegg til parametere for mobiliteten av protoner, ble funnet ved å tilpasse totalledningsevnen til en modell basert på at dominerende ladningsbærere var protoner og elektronhull, og at dominerende defekter besto av protoner, oksygenvakanser og akseptordoping. Dette resulterte i en hydratiseringsentalpi på (–84±15) kJ mol-1, hydratiseringsentropien ble (–115±25) J K-1 mol-1 og aktiveringsenergi for protonmobiliteten ble beregnet til (57±10) kJ mol-1. Protonledningsevnen til bariumterbat er i størrelsesorden med den til bariumzirkonat og –cerat, og under 500°C er den også høyere enn for bariumcerat.