Abstract

The paper deals with synthesis and studies the materials with high ionic conductivity on the basis of which the various electrochemical devices are created: gas sensors, electrolyzers, devices for dosed supply of hydrogen and water vapor, etc. Interest in the study of the physicochemical properties of oxide proton conductors is due to the phenomenon of proton transfer in a solid body when hydrogen is not a structural unit of the compound. The LaScO3 based materials are considered promising because of the high bulk conductivity at low temperature, chemical stability and mechanical strength in comparison with the well-known proton electrolytes based on cerates and zirconates of alkaline-earth elements. A comparative analysis of the properties of the proton solid electrolyte La1-xSrxScO3-α (x = 0.05, 0.10) synthesized by various methods is carried out. A version of the combustion method without the use of nitrates as initial materials leading to the production of ceramics with a density of not less than 98% with respect to the theoretical was developed. Comprehensive qualitative and quantitative study was carried out by X-ray phase analysis, scanning electron microscopy, X-ray fluorescence and atomic emission spectroscopy at various stages of synthesis. The structural parameters of the La0.9Sr0.1ScO3-α oxide is refined using the method of X-ray diffraction full-profile Rietveld analysis. Thermal expansion and electrical conductivity were studied as a function of the temperature and humidity of the gas phase for La1-xSrxScO3-α (x = 0.05, 0.10) materials of different densities in oxidizing and reducing atmospheres. The composition of the atmosphere (dry and wet air, wet H2) is found out to have little effect on thermal expansion below 600°C. The separation of the bulk and grain boundary conductivities by the impedance method is carried out. Both conductivities are proven to have the same activation energy for materials with a density of 94-98% relative to the theoretical one. The high porosity of the materials (30%) adversely affects the total conductivity, while the bulk conductivity is almost not reduced. The bridging model based on semicoherent boundaries that explain the low grain boundaries conductivity for proton electrolytes with a low-symmetry lattice was discussed. The data obtained from this work may be of interest to specialists in the field of hydrogen energy, electrochemistry, materials science and development of technology for electrochemical devices: sensors, power sources, fuel cells.
Translated title of the contributionSpecificity of Synthesis and Electrical Conductivity of Density Ceramic of La1-xSrxScO3-α Proton Conducting Oxides
Original languageRussian
Pages (from-to)54-68
Number of pages15
JournalМеждународный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"
Issue number28-30(240-242)
DOIs
Publication statusPublished - 2017

Fingerprint

Oxides
Protons
Hydrogen
Electrolytes
Thermal expansion
Grain boundaries
Atomic emission spectroscopy
Rietveld analysis
X rays
Proton transfer
Chemical stability
Solid electrolytes
Steam
Electrochemistry
Materials science
Ionic conductivity
Chemical sensors
Nitrates
Strength of materials
Electric Conductivity

GRNTI

  • 29.19.00

Level of Research Output

  • VAK List

Cite this

@article{a560d125596240c194662ea9ec7b17c9,
title = "ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПЛОТНОЙ КЕРАМИКИ ПРОТОНПРОВОДЯЩИХ ОКСИДОВ LA1-XSRXSCO3-α",
abstract = "Рассмотрен синтез и исследованы материалы с высокой ионной проводимостью, на основе которых создаются различные электрохимические устройства: газовые сенсоры, электролизеры, приборы дозированной подачи водорода и водяного пара и т.д. Интерес к исследованию физико-химических свойств оксидных протонных проводников обусловлен феноменом переноса протона в твердом теле, когда водород не является структурной единицей соединения. Перспективными считаются материалы на основе LaScO3 благодаря высокой объемной проводимости при пониженной температуре, химической стойкости и механической прочности по сравнению с хорошо известными протонными электролитами на основе цератов и цирконатов щелочно-земельных элементов. Проведен сравнительный анализ свойств протонного твердого электролита La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10), синтезированного различными методами. Разработан вариант метода сжигания без использования нитратов в качестве исходных материалов, приводящий к получению керамики с плотностью не ниже 98 {\%} относительно теоретической. Проведена всесторонняя качественная и количественная аттестация методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентной и атомно-эмиссионной спектроскопии на разных этапах синтеза. Параметры структуры оксида La0,9Sr0,1ScO3-α уточнены с помощью метода рентгеноструктурного полнопрофильного анализа Ритвельда. Изучены термическое расширение, электропроводность в окислительных и восстановительных атмосферах в зависимости от температуры и влажности газовой фазы для материалов La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10) разной плотности. Установлено, что разные атмосферы (сухой и влажный воздух, влажный Н2) слабо влияют на термическое расширение ниже 600 ºС. Проведено разделение объемной и межзеренной проводимостей методом импеданса. Определено, что обе проводимости имеют одинаковую энергию активации для материалов с плотностью 94-98 {\%} относительно теоретической. Установлено, что высокая пористость материалов (30 {\%}) негативно сказывается на ходе общей проводимости, при этом объемная проводимость почти не снижается. Предложена мостиковая модель, основывающаяся на полукогерентных границах, объясняющая низкую межзеренную проводимость для протонных электролитов с низкосимметричной решеткой. Полученные в работе данные могут представлять интерес для специалистов в области водородной энергетики, электрохимии, материаловедения и при разработке технологии электрохимических устройств: сенсоров, источников тока, топливных элементов.",
author = "Кузьмин, {А. В.} and Строева, {Анна Юрьевна} and В.П. Горелов and Новикова, {Юлия Вячеславовна} and Лесничёва, {Алена Сергеевна} and Фарленков, {Андрей Сергеевич} and Ходимчук, {Анна Владимировна}",
year = "2017",
doi = "10.15518/isjaee.2017.28-30.054-068",
language = "Русский",
pages = "54--68",
journal = "Международный научный журнал {"}Альтернативная энергетика и экология{"}",
issn = "1608-8298",
publisher = "Общество с ограниченной ответственностью {"}Научно-технический центр ТАТА{"}",
number = "28-30(240-242)",

}

TY - JOUR

T1 - ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПЛОТНОЙ КЕРАМИКИ ПРОТОНПРОВОДЯЩИХ ОКСИДОВ LA1-XSRXSCO3-α

AU - Кузьмин, А. В.

AU - Строева, Анна Юрьевна

AU - Горелов, В.П.

AU - Новикова, Юлия Вячеславовна

AU - Лесничёва, Алена Сергеевна

AU - Фарленков, Андрей Сергеевич

AU - Ходимчук, Анна Владимировна

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Рассмотрен синтез и исследованы материалы с высокой ионной проводимостью, на основе которых создаются различные электрохимические устройства: газовые сенсоры, электролизеры, приборы дозированной подачи водорода и водяного пара и т.д. Интерес к исследованию физико-химических свойств оксидных протонных проводников обусловлен феноменом переноса протона в твердом теле, когда водород не является структурной единицей соединения. Перспективными считаются материалы на основе LaScO3 благодаря высокой объемной проводимости при пониженной температуре, химической стойкости и механической прочности по сравнению с хорошо известными протонными электролитами на основе цератов и цирконатов щелочно-земельных элементов. Проведен сравнительный анализ свойств протонного твердого электролита La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10), синтезированного различными методами. Разработан вариант метода сжигания без использования нитратов в качестве исходных материалов, приводящий к получению керамики с плотностью не ниже 98 % относительно теоретической. Проведена всесторонняя качественная и количественная аттестация методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентной и атомно-эмиссионной спектроскопии на разных этапах синтеза. Параметры структуры оксида La0,9Sr0,1ScO3-α уточнены с помощью метода рентгеноструктурного полнопрофильного анализа Ритвельда. Изучены термическое расширение, электропроводность в окислительных и восстановительных атмосферах в зависимости от температуры и влажности газовой фазы для материалов La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10) разной плотности. Установлено, что разные атмосферы (сухой и влажный воздух, влажный Н2) слабо влияют на термическое расширение ниже 600 ºС. Проведено разделение объемной и межзеренной проводимостей методом импеданса. Определено, что обе проводимости имеют одинаковую энергию активации для материалов с плотностью 94-98 % относительно теоретической. Установлено, что высокая пористость материалов (30 %) негативно сказывается на ходе общей проводимости, при этом объемная проводимость почти не снижается. Предложена мостиковая модель, основывающаяся на полукогерентных границах, объясняющая низкую межзеренную проводимость для протонных электролитов с низкосимметричной решеткой. Полученные в работе данные могут представлять интерес для специалистов в области водородной энергетики, электрохимии, материаловедения и при разработке технологии электрохимических устройств: сенсоров, источников тока, топливных элементов.

AB - Рассмотрен синтез и исследованы материалы с высокой ионной проводимостью, на основе которых создаются различные электрохимические устройства: газовые сенсоры, электролизеры, приборы дозированной подачи водорода и водяного пара и т.д. Интерес к исследованию физико-химических свойств оксидных протонных проводников обусловлен феноменом переноса протона в твердом теле, когда водород не является структурной единицей соединения. Перспективными считаются материалы на основе LaScO3 благодаря высокой объемной проводимости при пониженной температуре, химической стойкости и механической прочности по сравнению с хорошо известными протонными электролитами на основе цератов и цирконатов щелочно-земельных элементов. Проведен сравнительный анализ свойств протонного твердого электролита La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10), синтезированного различными методами. Разработан вариант метода сжигания без использования нитратов в качестве исходных материалов, приводящий к получению керамики с плотностью не ниже 98 % относительно теоретической. Проведена всесторонняя качественная и количественная аттестация методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентной и атомно-эмиссионной спектроскопии на разных этапах синтеза. Параметры структуры оксида La0,9Sr0,1ScO3-α уточнены с помощью метода рентгеноструктурного полнопрофильного анализа Ритвельда. Изучены термическое расширение, электропроводность в окислительных и восстановительных атмосферах в зависимости от температуры и влажности газовой фазы для материалов La1- x Sr x ScO3-α ( х = 0,05; 0,10) разной плотности. Установлено, что разные атмосферы (сухой и влажный воздух, влажный Н2) слабо влияют на термическое расширение ниже 600 ºС. Проведено разделение объемной и межзеренной проводимостей методом импеданса. Определено, что обе проводимости имеют одинаковую энергию активации для материалов с плотностью 94-98 % относительно теоретической. Установлено, что высокая пористость материалов (30 %) негативно сказывается на ходе общей проводимости, при этом объемная проводимость почти не снижается. Предложена мостиковая модель, основывающаяся на полукогерентных границах, объясняющая низкую межзеренную проводимость для протонных электролитов с низкосимметричной решеткой. Полученные в работе данные могут представлять интерес для специалистов в области водородной энергетики, электрохимии, материаловедения и при разработке технологии электрохимических устройств: сенсоров, источников тока, топливных элементов.

UR - https://elibrary.ru/item.asp?id=32231744

U2 - 10.15518/isjaee.2017.28-30.054-068

DO - 10.15518/isjaee.2017.28-30.054-068

M3 - Статья

SP - 54

EP - 68

JO - Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"

JF - Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"

SN - 1608-8298

IS - 28-30(240-242)

ER -