A First-Principles Study on Proton Conductivity of Acceptor-Doped Tin Pyrophosphate
A First-Principles Study on Proton Conductivity of Acceptor-Doped Tin Pyrophosphate
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受主掺杂焦磷酸锡质子电导率的第一性原理研究
DOI：
10.1021/acs.jpcc.6b12532
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发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
K. Matsunaga
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
K. Toyoura;J. Terasaka;A. Nakamura;K. Matsunaga
原子尺度的图片的质子传导机制在焦磷酸锡，SnP2O7，理论上进行了研究，使用第一性原理计算，澄清在体区域的固有质子导电性。晶格中的质子存在于氧化物离子周围，并通过围绕单个氧化物离子旋转和通过类似于其他质子传导氧化物中的机制在相邻氧化物离子之间跳跃来迁移。计算的质子电导率具有弱的各向异性，反映了单斜结构（唯一轴：B），特别是在膜平面。各向异性电导率的主要来源是相对于沿着[101]方向（势垒：0.64 eV）的相对快速的长程迁移路径，沿沿着唯一轴和[101]方向（势垒：0.57 eV）。估算的质子电导率的表观活化能高达1.1 eV，掺杂剂的质子捕获效应（缔合能：0.59 eV），导致体区域的低质子电导率。这表明文献中报道的快速质子传导性可能是由于其他意想不到的质子迁移途径，如表面、晶界和具有残留磷酸的第二相。
The atomic-scale picture of the proton conduction mechanism in tin pyrophosphate, SnP2O7, has theoretically been investigated using first-principles calculations, to clarify the intrinsic proton conductivity in the bulk region. Protons in the crystal lattice reside around oxide ions and migrate by rotation around single oxide ions and hopping between adjacent oxide ions by a mechanism similar to that in other proton-conducting oxides. The calculated proton conductivity has weak anisotropy reflecting the monoclinic structure (unique axis:b), particularly in theca-plane. The main origin of the anisotropic conductivity is the relatively fast long-range migration pathways along the uniqueb-axis and in the [101] direction (potential barrier: 0.57 eV) versus that along the [101̅] direction (potential barrier: 0.64 eV). The apparent activation energy of the estimated proton conductivity is as high as ∼1.1 eV with the proton trapping effect by dopants (association energy: 0.59 eV), leading to the low proton conductivity in the bulk region. This suggests that the reported fast proton conductivity in the literature may be due to other unexpected proton migration routes, such as surfaces, grain boundaries, and secondary phases with residual phosphoric acid.
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