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Re-Evaluating CeO2 Expansion Upon Reduction: Noncounterpoised Forces, Not Ionic Radius Effects, Are the Cause

离子半径 空位缺陷 离子键合 氧化还原 氧化物 化学 协调球 离子 人口 结晶学 固溶体 材料科学 无机化学 晶体结构 人口学 有机化学 社会学
作者
Christopher L. Muhich
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (14): 8052-8059 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.6b12373
摘要

Ceria (CeO2) is widely used in reduction and oxidation processes such as catalysis, solid-oxide fuel cells and electrolyzers, and thermochemical redox processes. Counterintuitively, as ceria reduces and oxidizes, it expands and contracts, respectively. This has been attributed to the larger ionic radius of Ce3+ as compared with Ce4+. However, electronic structure calculations (DFT+U) detailed herein show that this is incorrect. While the presence of Ce3+ cations causes local expansion of their coordinating O anions, the expansion is compensated by the contraction of the O–Ce bonds in the second coordination shell. This results in only negligible changes in the Ce sublattice (Ce3+–Ce4+ distances of 3.90 Å rather than a 3.89 Å Ce4+–Ce4+ distance in oxidized ceria). The severing of Ce–O bonds upon the formation of an O vacancy results in noncounterpoised forces acting on the vacancy neighboring Ce cations, which relax toward the O anion opposite the vacancy, thereby expanding ceria (Ce4+vac–Ce4+vac distance of 4.14 Å). The relaxation of Ce4+ cations away from the vacancy rather than toward the vacancy, as is found in other materials, arises because ceria reduction results in the population f orbitals rather than d-O p antibonds. The corrected explanation for ceria expansion presented here will enable better design of ceria-based systems and modifications to ceria, such as doping, that will improve its performance.
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