Application of Nuclear Reaction Analysis to Studying Hydrogen Diffusion and Nonstoichiometry in Metal Oxides

V. B. Vykhodets; T. E. Kurennykh; O. A. Nefedova

doi:10.17804/2410-9908.2015.5.031-044

V. B. Vykhodets, T. E. Kurennykh, O. A. Nefedova

APPLICATION OF NUCLEAR REACTION ANALYSIS TO STUDYING HYDROGEN DIFFUSION AND NONSTOICHIOMETRY IN METAL OXIDES

DOI: 10.17804/2410-9908.2015.5.031-044

Nuclear reaction analysis is used to investigate hydrogen and oxygen subsystems for the oxides TiO₂, La_0,9Sr_0,1ScO_3-δ and ZrO₂ (10 % Y₂O₃). For comparison, data on deuterium diffusion in Ni are obtained. It is found that the boundary conditions of the diffusion problem for the metal differ greatly from those for the oxides. The general and partial solutions to the diffusion problem have been obtained for this technique. It is shown that, for metals, the experimental data correspond to the condition of the zero flow of deuterium atoms through the irradiated surface, whereas for oxides, these data correspond to the zero concentration of deuterium on the surface. It is found that the atomic surface layer of nanoparticles of titanium dioxide and yttrium-doped zirconium dioxide lacks oxygen in comparison with stoichiometry. Nanopowder synthesis is performed by laser evaporation of a ceramic target. The injection of the D₂O vapor into the working chamber does not lead to the doping of nanoparticles with deuterium and the elimination of oxygen deficiency.

Keywords: hydrogen diffusion, oxygen stoichiometry, nuclear reaction analysis, oxides, nickel, diffusion boundary value problem with an internal source, analytical solution

References:

Fishman A., Kurennykh T., Vykhodets V., Vykhodets E. Oxygen Isotope Exchange in Nanocrystal Oxides. In: Advances in Ceramics-Characterization, Raw Materials, Processing, Properties, Degradation and Healing, C. Sikalidis, ed. Rejeka: InTechOpen Access publisher, 2011, pp. 139–164. ISBN 978–953–307–504–4.
Kudo H., Kosaku Y., Ando Y., Hiraga M., Sekine T. Deuterium migration in titanium during deuteron irradiation observed by proton spectra of the d(d,p)t reaction. Journal of Nuclear Materials, 1998, vols 258–263, p. 1, pp. 622–627.
Vykhodets V.B., Kurennykh T.E., Nefedova O.A., Gorelov V.P., Stroeva A.Yu., Balakireva V.B., Vykhodets E.V., Obukhov S.I. Deuterium diffusion in proton conductors La0.9Sr0.1ScO3-δ and BaZr0.9 Y0.1O3-δ at room temperature. Solid State Ionics, 2014, vol. 263, pp. 152–156. DOI: 10.1016/j.ssi.2014.06.003.
Kidson G.V. The diffusion of H, D, and T in solid metals. Diffusion in Solid Metals and Alloys, vol. III-26, H. Mehrer, ed. Berlin, Landolt-Bornstein, Springer-Verlag Publ., 1990, p. 504. ISBN 3–54050–886–4.
Völkl J., Alefeld G. Hydrogen Diffusion in Metals. Diffusion in Solids: Recent Developments, A.S. Nowick, ed. J.J. Burton. New York, Academic Press Publ., 1975, pp. 231–302. ISBN 0–12–522660–8.
Heitjans P., Kärger J., eds. Diffusion in Condensed Matter: Methods, Materials, Models, Berlin-Heidelberg, Springer Publ., 2005, 965 p. ISBN 3–540–20043–6.
Vykhodets V.B., Jarvis E., Kurennykh T.E., Davletshin A.E., Obukhov S.I., Beketov I.V., Samatov O.M., Medvedev A.I. Extreme deviations from stoichiometry in alumina nanopowders. Surface Science, 2014, vol. 630, pp. 182–186. DOI: 10.1016/j.susc.2014.08.009.
Jarvis E.A.A., Carter E.A. Metallic Character of the Al2O3(0001)–( 31 x 31 )R 9° Surface Reconstruction. J. Phys. Chem. B, 2001, vol. 105, iss. 18, pp. 4045–4052. DOI: 10.1021/jp003587c.
Wang X.-G., Chaka A., Scheffer M. Effect of the Environment on a-Al2O3 (0001) Surface Structures. Physical Review Letters, 2000, vol. 84, pp. 3650–3653.
Crank J. The mathematics of diffusion, London, Oxford University Press Publ., 1975, 414 p. ISBN 0–19–853344–6.
Nellis G., Klein S. Heat Transfer, Cambridge, Cambridge University Press Publ., 2009, 1107 p. ISBN 978–0–521–88107–4.
Kartashov E.M. Analiticheskie metody v teorii teploprovodnosti tverdykh tel [Analytical Methods in the Theory of Heat Conduction of Solids]. M., Vysshaya Shkola Publ., 2001, 550 p. (In Russian).

В. Б. Выходец, Т. Е. Куренных, О. А. Нефедова

ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОГО МИКРОАНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФУЗИИ ВОДОРОДА И НЕСТЕХИОМЕТРИИ В ОКСИДАХ МЕТАЛЛОВ

Ядерный микроанализ применен для исследования водородной и кислородной подсистем оксидов: TiO₂, La_0.9Sr_0.1ScO_3-δ и ZrO₂(10 % Y₂O₃). Для сравнения получены данные по диффузии дейтерия в Ni. Установлено, что для металла и оксида реализуются сильно отличающиеся друг от друга граничные условия диффузионной задачи. Получены общее и частные решения диффузионного уравнения для этой методики. Обнаружено, что для металла экспериментальные данные соответствуют условию нулевого потока атомов дейтерия через облучаемую поверхность, а для оксида – нулевой концентрации дейтерия на этой поверхности. Получено, что в поверхностном атомном слое наночастиц диоксида титана и диоксида циркония, допированного иттрием, имеет место дефицит кислорода в сравнении со стехиометрией. Синтез нанопорошков осуществлялся с помощью технологии лазерного испарения керамической мишени. Введение пара D₂O в рабочую камеру при синтезе нанопорошков диоксида титана не приводило к легированию наночастиц дейтерием и к ликвидации кислородного дефицита.

Ключевые слова: диффузия водорода, кислородная нестехиометрия, ядерный микроанализ, оксиды, никель, краевая задача диффузии с внутренним источником, аналитическое решение.

Библиография:

Oxygen Isotope Exchange in Nanocrystal Oxides / Anatoly Fishman, Tatyana Kurennykh, Vladimir Vykhodets, Evgeniya Vykhodets // Advances in Ceramics-Characterization, Raw Materials, Processing, Properties, Degradation and Healing / edited by Costas Sikalidis. – Rejeka : InTech Open Access publisher, 2011. – P. 139–164. – ISBN 978–953–307–504–4.
Deuterium migration in titanium during deuteron irradiation observed by proton spectra of the d(d,p)t reaction / Hiroshi Kudo, Yasuo Kosaku, Yuji Ando, Masayuki Hiraga, Tsutomu Sekine // Journal of Nuclear Materials. – 1998. – Vols 258–263, p. 1. – P. 622–627.
Deuterium diffusion in proton conductors La0.9Sr0.1ScO3-δ and BaZr0.9 Y0.1O3-δ at room temperature / V. B. Vykhodets, T. E. Kurennykh, O. A. Nefedova, V. P. Gorelov, A. Yu. Stroeva, V. B. Balakireva, E. V. Vykhodets, S. I. Obukhov // Solid State Ionics. – 2014. – Vol. 263. – P. 152–156. – DOI: 10.1016/j.ssi.2014.06.003.
Kidson G. V. The diffusion of H, D, and T in solid metals // Diffusion in Solid Metals and Alloys / edited by H. Mehrer. – Berlin : Landolt-Bornstein, Springer-Verlag, 1990. – ISBN 3–54050–886–4. – Vol. III–26. – P. 504–556.
Völkl J., Alefeld G. Hydrogen Diffusion in Metals // Diffusion in Solids: Recent Developments / edited by A. S. Nowick, J. J. Burton. – New York : Academic Press, 1975. – P. 231–302. – ISBN 0–12–522660–8.
Diffusion in Condensed Matter: Methods, Materials, Models / ed. by Paul Heitjans, Jörg Kärger. – Berlin–Heidelberg : Springer, 2005. – 965 p. – ISBN 3–540–20043–6.
Extreme deviations from stoichiometry in alumina nanopowders / V. B. Vykhodets, E. Jarvis, T. E. Kurennykh, A. E. Davletshin, S. I. Obukhov, I. V. Beketov, O. M. Samatov, A. I. Medvedev // Surface Science. – 2014. – Vol. 630. – P. 182–186. – DOI: 10.1016/j.susc.2014.08.009.
Jarvis E. A. A., Carter E. A. Metallic Character of the Al2O3(0001)–( 31 x 31 )R 9° Surface Reconstruction // J. Phys. Chem. B – 2001. – Vol. 105, iss 18. – P. 4045–4052. – DOI: 10.1021/jp003587c.
Wang X. – G., Chaka A., Scheffer M. Effect of the Environment on α-Al2O3 (0001) Surface Structures // Physical Review Letters. – 2000. – Vol. 84. – P. 3650–3653.
Crank J. The mathematics of diffusion. – London : Oxford University Press, 1975. – 414 p. – ISBN 0–19–853344–6.
Nellis G., Klein S. Heat Transfer. – Cambridge : Cambridge University Press, 2009. – 1107 p. – ISBN 978–0–521–88107–4.
Карташов Э. М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. – М. : Высш. шк., 2001. – 550 с. – ISBN 5–06–004091–7.

Библиографическая ссылка на статью

Vykhodets V. B., Kurennykh T. E., Nefedova O. A. Application of Nuclear Reaction Analysis to Studying Hydrogen Diffusion and Nonstoichiometry in Metal Oxides // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2015. - Iss. 5. - P. 31-44. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2015.5.031-044. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2015-5/2015-5_57.html
(accessed: 21.12.2024).