Effect of acceptor―ixygen-vacancy cluster on proton conductivity in $BaZrO_3$

Abstract

저온에서 작동하는 수소이온전도체 중 억셉터가 도핑된 바륨지르코네이트 ($BaZrO_3$) 는 열o화학적 안정성 및 높은 수소이온 전도도로 많이 활용되고, 또한 연구되고 있는 물질이다. 최근 이 물질에서 억셉터와 수소이온 사이의 인력으로 인해 발생하는 수소이온 전도도 감소효과인 proton trapping effect에 대해 많이 연구되고 있지만, 억셉터-산소공공 클러스터가 다음 proton trapping effect에 미치는 영향에 대해 연구된 바는 없다. 이번 실험에서는 억셉터-산소공공 클러스터가 수소이온 전도도에 미치는 영향을 확인하기 위해 전산모사와 임피던스 실험을 실시하였다. 전산모사를 통해 억셉터(Y, Sc, 그리고 In)-산소공공, 그리고 억셉터-수소이온 사이에 음의 인력에너지 즉, 열역학적으로 안정한 구조를 갖는다는 것을 확인하였고, 이는 선행연구결과와 잘 일치하였다. 그러나 억셉터, 산소공공, 그리고 수소이온이 클러스터 되어있는 트리플 클러스터의 전산모사 결과를 분석해 본 결과 억셉터-산소공공 클러스터의 정도가 proton trapping effect에 영향을 미치게 됨을 알 수 있었다. 트리플 클러스터의 전산모사 결과를 실험적으로 확인하기 위해 임피던스 분광법을 활용하였다. 소결과정에서 발생하는 산소공공의 자유로운 분포를 막고자 소결온도인 $1650^\circ C$ 보다 낮은 온도인 $1300^\circ C$ 에서 장시간동안 (100시간) 추가 열처리과정을 진행하여 억셉터-산소공공 클러스터를 만들어 주었다. 추가 열처리 과정을 거친 샘플을 임피던스 분광법을 이용하여 벌크 내부의 저항을 측정한 결과 수소이온 전도도의 향상효과를 확인할 수 있었고, 트리플 클러스터의 경우를 측정한 전산모사 결과와도 잘 일치함을 확인하였다. 결론적으로, 억셉터와 수소이온간 인력으로 인해 발생하는 proton trapping effect를 추가 열처리 과정을 통해 생성된 억셉터-산소공공 클러스터를 이용하여 감소, 수소이온 전도도를 향상시킬 수 있음을 전산모사 방법과 임피던스 분광법을 통해 확인하였다.