1. Formazione dei difetti:
* posti vacanti di ossigeno: La zirconia pura ha una struttura a fluorite, in cui gli ioni di ossigeno occupano tutti i siti reticolari. A temperature elevate, alcuni ioni di ossigeno possono lasciare le loro posizioni reticolari, creando posti vacanti di ossigeno. Questi posti vacanti possono quindi essere riempiti da altri ioni di ossigeno, consentendo la conduzione di ioni di ossigeno.
* Doping: La zirconia è generalmente drogata con altri ossidi di metallo, come ossido di calcio (CAO) o ossido di ittrio (Y₂O₃). Questo processo di doping introduce difetti nel reticolo della zirconia, aumentando la concentrazione di posti vacanti di ossigeno.
2. Mobilità ionica di ossigeno:
* Alta temperatura: A temperature elevate, gli ioni di ossigeno ottengono abbastanza energia termica per superare la barriera di energia di attivazione per il movimento all'interno del reticolo. Questa maggiore mobilità consente una conduzione di ioni di ossigeno più efficiente.
* Struttura del difetto: La presenza di posti vacanti di ossigeno facilita il movimento degli ioni di ossigeno fornendo siti in cui saltare gli ioni di ossigeno.
3. Meccanismo di conduzione ionica di ossigeno:
* Meccanismo di posto vacante: Gli ioni di ossigeno si muovono saltando in posti vacanti adiacenti di ossigeno. Il movimento degli ioni di ossigeno è facilitato dalla presenza di posti vacanti e dal campo elettrico applicato.
4. Influenza del doping:
* Stabilizzazione: La zirconia doping con altri ossidi aiuta a stabilizzare la fase cubica o tetragonale della zirconia, che presenta una maggiore conduttività ionica di ossigeno rispetto alla fase monoclinica.
* Concentrazione del difetto: Il doping aumenta la concentrazione di posti vacanti di ossigeno, migliorando ulteriormente la conduttività ionica di ossigeno.
In sintesi:
La zirconia diventa un buon conduttore di ossigeno a temperature elevate a causa della formazione di posti vacanti di ossigeno attraverso il doping e la maggiore mobilità degli ioni di ossigeno a temperature elevate. Il meccanismo di posto vacante facilita il movimento degli ioni di ossigeno, rendendo la zirconia un materiale cruciale per applicazioni come le celle a combustibile a ossido solido (SOFC).
Nota: La temperatura esatta alla quale la zirconia diventa un buon conduttore ionico di ossigeno dipende dalla composizione specifica e dal livello di doping del materiale di zirconia.
