Kobaltu un dzelzi saturošu perovskītu materiālu aprēķini, izmantojot AOLK metodi ar hibrīdiem blīvuma funkcionāļiem

Abstract

Degvielas šūnu tehnoloģijas ir daudzsološs videi draudzīgas alternatīvās enerģijas avots,taču šobrīd to galvenie ierobežojumi, kas liedz tās efektīvi izmantot, balstās augstajā darbatemperatūrā vai dārgmetālu izmantošanā. Darba temperatūras samazinājums ļautu būtis-ki samazināt izmaksas, kā arī palielinātu degvielas šūnu efektivitāti. To iespējams paveikt,izmantojot protonus vadošās keramiskās degvielas šūnas (PCFC), pretstatā pārējām cietvie-lu degvielas šūnām, kuras balstās uz oksīdu vadītspēju. Pretēji elektrolītu materiāliem [1],optimālos katodu materiālus vēl nepieciešams identificēt, meklējot cieto šķīdumu sastāvuar pietiekami augstu elektronu un protonu vadītspēju, kā arī izprast jonu vadītspēju ietek-mējošos faktorus. Nesen plašos eksperimentālos pētījumos [2] kā PCFC katoda materiālsoptimizēts (Ba,Sr,La)(Fe,Co,Zn,Y)O3–perovskīts.Šajā darbā tiek izstrādāta metodoloģija, lai detalizēti pētītu daudzkomponentu perovskītadivas atsevišķās komponentes LaCoO3un BaCoO3, kur Co jons pieņem formālās oksidācijaspakāpes starp 4+ un 3+. Ar programmas CRYSTAL17 palīdzību, izmantojot blīvuma fun-kcionāļa aprēķinus ar dažādiem hibrīdajiem funkcionāļiem, tiek analizētas tādas savienojumuīpašības kā saišu garumi un lokālās režģa deformācijas. Īpašs uzsvars likts uz magnētiska-jām īpašībām, kā arī elektronisko/zonu struktūru. Tāpat tiek analizēta formālās oksidēšanāspakāpes ietekme uz lokālo apkārtni ap Co joniem. Šāda analīze ir nepieciešama un kalpopar atskaites punktu sarežģītāku procesu izpētei, piemēram, skābekļa vakanču un protonuuzvedībai, kā arī to veidošanās un migrācijas enerģijām.

Fuel cell technology is a very promising source of sustainable and environmentally friendlyenergy. One of the key problems in this technology are the currently relatively high ope-ration temperatures which e.g. require special materials. A temperature reduction couldsignificantly decrease the price, and also increase the efficiency of fuel cell devices. Thiscould be achieved using protonic ceramic fuel cells (PCFC). Electrolyte materials for PCFChave attracted much attention in the literature [1]. However, selection of an efficient catho-de material with sufficiently high electronic and protonic conductivity is crucial for PCFCperformance. Recently, perovskite cathode materials for PCFC were considered in compre-hensive experimental studies [2]. Such materials belong to the family of multi-component(Ba,Sr,La)(Fe,Co,Zn,Y)O3–perovskites.In the present work, we develop the methodology to study in detail the two parent perov-skites LaCoO3and BaCoO3where Co ions reveal formal oxidation states ranging from 4+ to3+. Using first principle calculations and several hybrid density functionals for comparison,as realized in the CRYSTAL code, we carefully analyze their fundamental bulk properties,such as bond lengths and lattice distortions. Special emphasis is laid on the complex mag-netic properties and the electronic/band structure. We analyze the effect of the formaloxidation states on the local geometrical structure around the Co atoms. This analysis iscrucial and serves as reference point for proper calculations of more complex processes, i.e.oxygen vacancy and proton behavior, their formation and migration energies.