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Ceria: Recent results on dopant-induced surface phenomena

Knoblauch, Nicole und Simon, Heike und Dörrer, Lars und Uxa, Daniel und Fielitz, Peter und Wendelstorf, Jens und Spitzer, Karl-Heinz und Schmücker, Martin und Borchardt, Günter (2017) Ceria: Recent results on dopant-induced surface phenomena. Inorganics, 5 (4). Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/inorganics5040076. ISSN 2304-6740.

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3MB

Kurzfassung

Redox studies on dense zirconia-doped ceria pellets were carried out by thermogravimetric investigations and dilatometry. Up to 1600 K reduction parameters determined by both methods correspond to each other. At higher temperatures, however, thermogravimetry overestimates the degree of reduction since mass loss is not only due to oxygen exsolution but also to selective evaporation of CeO2 whose vapor pressure is considerably higher than that of ZrO2. As a consequence surface segregation of zirconia occurs in (Ce,Zr)O2-d pellets leading to a porous surface zone of Ce2Zr2O7 pyrochlore which gradually grows in thickness. Surface enrichment of zirconia is detrimental for splitting CO2 or H2O since re-oxidation temperatures of (Ce,Zr)O2-d are known to be shifted towards lower temperatures with increasing ZrO2 content. Thus, very harsh reduction conditions should be avoided for the (Ce,Zr)O2-d redox system. The kinetics investigations comprised the high temperature reduction step (T = 1600 K) and the "low" temperature (T = 1000 K) oxidation reaction with a carbon dioxide atmosphere. The reduction kinetics (at around 1600 K and an oxygen activity of 7×10-4 in the gas phase) directly yield the (reduction) equilibrium exchange rate of oxygen in the order of 10-7 mol O/(cm3s) as the kinetics are surface controlled. The oxidation step at around 1000 K, however, occurs in the mixed control or in the diffusion control regime, respectively. From oxygen isotope exchange in combination with SIMS depth profiling oxygen exchange coefficients, K, and oxygen diffusivities, D, were determined for so-called equilibrium experiments as well as for nonequilibrium measurements. From the obtained values for K and D the (oxidation) equilibrium exchange rates for differently doped ceria samples were determined. Their dependency on the oxygen activity and the nature and the concentrations of a tetravalent dopant (Zr) and trivalent dopants (La, Y, Sm) could be semi-quantitatively rationalised on the basis of a master equation for the equilibrium surface exchange rate.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/114826/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:Referierte Publikation
Titel:Ceria: Recent results on dopant-induced surface phenomena
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Knoblauch, NicoleNicole.Knoblauch (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Simon, HeikeHeike.Simon (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dörrer, Larstechnische universität clausthal, institut für metallurgieNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Uxa, Danieltechnische universität clausthal, institut für metallurgieNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fielitz, Petertu clausthalNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wendelstorf, Jenstechnische universität clausthal, institut für metallurgieNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Spitzer, Karl-Heinztechnische universität clausthal, institut für metallurgieNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmücker, Martinmartin.schmuecker (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Borchardt, Güntertu clausthalNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 2017
Erschienen in:Inorganics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:5
DOI:10.3390/inorganics5040076
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
ISSN:2304-6740
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Ceria; thermal expansion; chemical expansion; oxygen diffusion; oxygen surface exchange;
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Erneuerbare Energie
HGF - Programmthema:Solare Brennstoffe
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SW - Solar- und Windenergie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Solare Brennstoffe (alt)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Struktur- und Funktionskeramik
Hinterlegt von: Knoblauch, Nicole
Hinterlegt am:09 Nov 2017 07:27
Letzte Änderung:16 Mai 2022 09:15

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