Влияние условий синтеза и консолидации нанопорошков на физико-химические свойства твердых растворов в системе (СeO2)1–x(Dy2O3)x в качестве электролитов среднетемпературных топливных элементов

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

Жидкофазными методами совместного осаждения гидроксидов и совместной кристаллизации азотнокислых солей синтезированы высокодисперсные порошки состава (СeO2)1–x(Dy2O3)x (х = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20). На их основе получена керамика, представляющая собой кубические твердые растворы типа флюорита с ОКР ~ 90 нм (1300 °С) с открытой пористостью в интервале 2–14% и кажущейся плотностью 6–7 г/см3. Исследовано влияние методов синтеза и спекающих добавок на физико-химические и электрофизические свойства керамики. Установлено, что полученная керамика обладает преимущественно ионным типом электропроводности (числа переноса ионов ti = 0.78–0.96 в интервале 300–700 °С). Электропроводность в твердых растворах осуществляется по вакансионному механизму и достигает значения σ700 °С = 0.43 · 10–2 См/см. По своим физико-химическим свойствам (плотность, открытая пористость, тип и механизм удельной электропроводности) полученные керамические материалы перспективны в качестве твердооксидных электролитов для среднетемпературных топливных элементов.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

М. Калинина

НИЦ “Курчатовский институт” – ПИЯФ – ИХС

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Санкт-Петербург

С. Мякин

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Санкт-Петербург

М. Теплоногова

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Москва

И. Дроздова

НИЦ “Курчатовский институт” – ПИЯФ – ИХС

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Санкт-Петербург

Н. Фарафонов

НИЦ “Курчатовский институт” – ПИЯФ – ИХС; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Н. Локтюшкин

НИЦ “Курчатовский институт” – ПИЯФ – ИХС; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
Ресей, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Әдебиет тізімі

  1. Maric R., Mirshekari G. Solid Oxide Fuel Cells. From Fundamental Principles to Complete Systems, CRC Press, 2021. 256 p.
  2. Ponomareva A.A., Ivanova A.G., Shilova O.A., Kruchinina I.Yu. Current state and prospects of manufacturing and operation of methane-based fuel cells (review) // Glass Physics and Chemistry. 2016. V. 42. № 1. P. 1–19.
  3. Ponomareva A., Babushok V., Simonenko E., Simonenko N., Sevast’janov V., Shilova O., Kruchinina I. Influence of pH of solution on phase composition of samariumstrontium cobaltite powders synthesized by wet chemical technique // Sol-Gel Sci. Technol. 2018. V. 87, № 1. P. 74–82.
  4. Galushko A.S., Panova G.G., Ivanova A.G., Masalovich M.S., Zagrebelnyy O.A., Kruchinina I.Yu., Shilova O.A. An overview of the functional ceramic and composite materials for microbiological fuel cells // J. Ceram. Sci. Technol. 2017. V. 8. № 4. Р. 433–454.
  5. Pachauri Y.K., Chauhan R.P. A study, analysis and power management schemes for fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 43. P. 1301–1319.
  6. Rekas M. Electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells // Archives of Metallurgy and Materials. 2015. V. 60. P. 891–896.
  7. Mahato N., Banerjee A., Gupta A., Omar S., Balani K. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review // Progr. Mater. Sci. 2015. V. 72. P. 141–337.
  8. Sal`nikov V.V., Pikalova E.Y. Raman and impedance spectroscopic studies of the specific features of the transport properties of electrolytes based on CeO2 // Phys. Solid State. 2015. V. 57. P. 1944–1952.
  9. Kalinina M.V., Dyuskina D.A., Arsent’ev M.Y., Mjakin S.V., Shilova O.A. Synthesis and characterization of ceria- and samaria-based powders and solid electrolytes as promising components of solid oxide fuel cells // Ceramics. 2022. № 5. P. 1102–1114.
  10. Ramos-Alvarez P., Villafuerte-Castrejón M.E., González G., Cassir M., Flores-Morales C., Chávez-Carvayar J.A. Ceria-based electrolytes with high surface area and improved conductivity for intermediate temperature solid oxide fuel cells // J. Mater. Sci. 2017. V. 52. № 1. P. 519–532.
  11. Egorova T.L., Kalinina M.V., Simonenko E.P., Simonenko N.P., Shilova O.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Liquid-phase synthesis and physicochemical properties of xerogels, nanopowders and thin films of the CeO2–Y2O3 system // Russian J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. № 9. P. 1061–1069.
  12. Кузнецова Т.Г., Садыков В.А. Особенности дефектной структуры метастабильных нанодисперсных диоксидов церия и циркония и материалов на их основе // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. № 6. С. 886–905.
  13. Jud E., Gauckler L.-J. The effect of cobalt oxide addition on the conductivity of Ce0.9Gd0.1O1.95 // J. Electroceram. 2005. V. 15. P. 159–166.
  14. Tian C., Chan S.-W. Ionic conductivities, sintering temperatures and microstructures of bulk ceramic CeO2 doped with Y2O3 // Solid State Ionics. 2000. V. 134. P. 89–102.
  15. Moghadasi M., Du W., Li M., Pei Z.J. Ceramic binder jetting additive manufacturing: Effects of particle size on feedstock powder and final part properties // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 10. P. 16966–16972.
  16. Fathy A., Wagih A., Abu-Oqail A. Effect of ZrO2 content on properties of Cu-ZrO2 nanocomposites synthesized by optimized high energy ball milling // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 2. P. 2319–2329.
  17. Li Z., He Q., Xia L., Xu Q. Effects of cathode thickness and microstructural properties on the performance of protonic ceramic fuel cell (PCFC): A 3D modelling study // Intern. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 6, P. 4047–4061.
  18. Хасанов О.Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий. Изд-во Томского политехнического университета. 2008. 212 с.
  19. Shilova O.A., Antipov V.N., Tikhonov P.A., Kruchinina I.Y., Panova T.I., Morozova L.V., Moskovskaya V.V., Kalinina M.V., Tsvetkova I.N. Ceramic nanocomposites based on oxides of transition metals of ionistors // Glass Physics and Chemistry. 2013. V. 39. № 5. P. 570–578.
  20. Rempel A.A., Gusev A.I. // Nanocrystalline Materials. Cambridge International Science Publishing, 2004, 351 p.
  21. Duran P., Villegas M., Capel F., Recio P. Low temperature sintering and microstructural development of nanocrystalline Y-TZP ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 1996. V. 16. P. 945–952.
  22. Межгосударственный стандарт ГОСТ 473.4-81. Изделия химически стойкие и термостойкие керамические. Метод определения кажущейся плотности и кажущейся пористости: утв. постановлением Госстандарта СССР от 22 июня 1981 г. № 3036.
  23. Нечипоренко А.П. Донорно-акцепторные свойства поверхности твердофазных систем. Индикаторный метод. СПб: Лань, 2017. 284 с.
  24. Pivovarova A.P., Strakhov V.I., Popov V.P. On the mechanism of electron conductivity in lanthanum metaniobate // Tech. Phys. Letters. 2002. V. 28. P. 815–817.
  25. Лягаева Ю.Г., Медведев Д.А., Демин А.К., Ярославцева Т.В., Плаксин С.В., Поротникова Н.М. Особенности получения плотной керамики на основе цирконата бария // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 10. С. 1388–1393.
  26. Галлямов А.Н., Казанцев А.Л., Сковородников П.В., Пойлов В.З. Обзор современных функциональных материалов, используемых в твердооксидных топливных элементах, работающих на водородном топливе // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2022. № 4. С. 38–62.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. X-ray diffraction patterns of powder and ceramic sample of the composition (CeO2)0.85(Dy2O3)0.15 with the addition of 3% ZnO, synthesized by the coprecipitation method, fired at 1300 °C (a) and 600 °C (b).

Жүктеу (98KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Micrograph of powder of the composition (CeO2)0.90(Dy2O3)0.10 after firing at 600 °C.

Жүктеу (389KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Micrograph of the microstructure of (CeO2)0.90(Dy2O3)0.10 ceramics sintered at 1300 °C. Sintering of the sample at 1300 °C is observed.

Жүктеу (216KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Micrograph of the microstructure of (CeO2)0.90(Dy2O3)0.10 ceramics obtained from powder and sintered at 1300 °C without a sintering additive.

Жүктеу (149KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. Micrograph of ceramics of the composition (CeO2)0.85(Dy2O3)0.15 after firing at 1300 °C.

Жүктеу (298KB)
Метадеректер
7. Fig. 6. Micrograph of the microstructure of ceramics with the composition (CeO2)0.85(Dy2O3)0.15, obtained after firing at 1300 °C without a sintering additive.

Жүктеу (158KB)
Метадеректер
8. Fig. 7. Kinetics of pH changes in aqueous suspensions of (CeO2)1–x(Dy2O3)x samples obtained by co-precipitation (a) and co-crystallization (b) methods: x = 0.05 (l); 0.10 (¡), 0.15 (▲); 0.20 (r).

Жүктеу (213KB)
Метадеректер
9. Fig. 8. Temperature dependences of specific electrical conductivity of ceramic samples of the composition: (CeO2)1–x(Dy2O3)x, x = 0.15 (1); 0.10 (2); 0.05 (3); 0.20 (4) without additives based on precursor powders synthesized by the salt crystallization method.

Жүктеу (122KB)
Метадеректер
10. Fig. 9. Temperature dependences of the specific electrical conductivity of ceramics of the composition: (CeO2)1–x(Dy2O3)x, x = 0.15 (1); 0.10 (2); 0.05 (3); 0.20 (4) with the addition of 3% ZnO based on precursor powders synthesized by the salt crystallization method.

Жүктеу (112KB)
Метадеректер
11. Fig. 10. Temperature dependences of the specific electrical conductivity of ceramic samples of the composition: (CeO2)1–x(Dy2O3)x, x = 0.15 (1); 0.10 (2); 0.05 (3); 0.20 (4) with the addition of 3% ZnO based on precursor powders synthesized by the hydroxide coprecipitation method.

Жүктеу (121KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2025