Stability and Compressibility of Cation-Doped High-Entropy Oxide MgCoNiCuZnO5

吸热过程 离子键合 兴奋剂 材料科学 软化 体积模量 离子电导率 氧化物 结构稳定性 离子半径 压缩性 热力学 离子 物理化学 化学物理 结晶学 无机化学 化学 吸附 复合材料 有机化学 工程类 冶金 物理 电解质 结构工程 光电子学 电极
作者
Jian Chen,Weixin Liu,Junxiu Liu,Xiaoliang Zhang,Mingzhi Yuan,Yunlei Zhao,Jiejuan Yan,Mingqiang Hou,Jinyuan Yan,Martin Kunz,Nobumichi Tamura,Hengzhong Zhang,Zhoulan Yin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (29): 17735-17744 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b04992
摘要

High-entropy oxides (HEOx) are multicomponent (≥5) complex oxides that possess material properties and functions unexpected from their constituent simple oxides. Previous studies demonstrated that a cation-doped HEOx, MgCoNiCuZnO5, shows good catalytic activity, excellent ionic conductivity, and high energy storage. The structural and mechanical stabilities of materials are pivotal to their applications. However, how temperature and pressure influence the structural stability of cation-doped HEOx and how doping affects the mechanical properties are yet to be understood. In this work, we investigated the structural stabilities of undoped and Li/Mn-doped MgCoNiCuZnO5 in heating or under compression using in situ synchrotron X-ray diffraction (XRD), and determined their elastic moduli using high-pressure XRD. Our results show that the HEOx compounds are structurally stable at temperatures up to ∼450 °C or at pressures up to ∼50 GPa, and that Li/Mn doping makes the HEOx more compressible. Our molecular static (MS) calculations predicted that the formation reaction of a HEOx is endothermic, consistent with the fact that a single-phase HEOx can only be produced at high temperatures. The MS calculations also revealed that the observed doping-induced elastic softening stems from the introduction of the Li–O/Mn–O ionic bonds in the HEOx compound, which are weaker than other cation–oxygen ionic bonds in the undoped HEOx. These findings will be indispensable to engineer HEOx materials for use in ion batteries, catalysis, and other fields.
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