Синтез и физико-химические свойства керамических материалов La0.9Sr0.1Sc1 – xMnxO3 – δ со смешанной электронно-ионной проводимостью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Перовскитоподобные материалы со смешанной ионной и электронной проводимостью рассматриваются как перспективные функциональные материалы для протонно-керамических электрохимических устройств. В работе впервые получен и исследован ряд твердых растворов La0.9Sr0.1Sc1 – xMnxO3 – δ, в которых ионы скандия в позиции В-катиона последовательно замещены на ионы марганца. Проведена аттестация полученных материалов методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа. Показано влияние допанта на спекаемость и морфологию исследуемых материалов. Электропроводность твердых растворов изучена с использованием четырехзондового метода на постоянном токе в зависимости от температуры и влажности газовой фазы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. С. Бервицкая

Вятский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: usr20264@vyatsu.ru
Россия, Киров

А. Ю. Строева

Вятский государственный университет

Email: usr20264@vyatsu.ru
Россия, Киров

Б. А. Ананченко

Вятский государственный университет

Email: usr20264@vyatsu.ru
Россия, Киров

В. А. Ичетовкина

Вятский государственный университет

Email: usr20264@vyatsu.ru
Россия, Киров

А. В. Кузьмин

Вятский государственный университет

Email: a.v.kuzmin@yandex.ru
Россия, Киров

Список литературы

  1. Bonanos, N., Knight, K., and Ellis, B., Perovskite solid electrolytes: structure, transport properties and fuel cell application, Solid State Ionics, 1995, vol. 79, р. 161.
  2. Kim, J., Sengodan, S., Kim, S., Kwon, O., Bu, Y., and Kim, G., Proton conducting oxides: A review of materials and applications for renewable energy conversion and storage, Renew SustEnerg Rev., 2019, vol. 109, р. 606.
  3. Nomura, K. and Tanase, S., Electrical behavior in (La0.9Sr0.1) MO3–δ (M = Al, Ga, Sc, In, and Lu) perovskites, Solid State Ionics, 1997, vol. 98, р. 229.
  4. Lybye, D., Poulsen, F.-W., and Mogensen, M., Conductivity of A- and B-site doped LaAlO3, LaGaO3, LaScO3 and LaInO3 perovskites, Solid State Ionics, 2000, vol. 128, p. 91.
  5. Kasyanova, A.V., Rudenko, A.O., Lyagaeva, Y.G., and Medvedeva, D.A., Lanthanum-Containing Proton-Conducting Electrolytes with Perovskite Structures, Membr. Membr. Technol., 2021, vol. 3, p. 73.
  6. Wang, X., Peng, X., Ran, H., Lin, B., Ni, J., Lin, J., and Jiang, L., Influence of Ru Substitution on the Properties of LaCoO3 Catalysts for Ammonia Synthesis: XAFS and XPS Studies, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, vol. 57, p. 17375.
  7. Zakharov, D.M., Zhuravlev, N.A., Denisova, T.A., Belozerov, A.S., Stroeva, A.Y., Vovkotrub, E.G., Farlenkov, A.S., and Ananyev, M.V., Catalytic methane activation over La1–xSrxScO3–α proton-conducting oxide surface: а comprehensive study, J. Catalysis, 2021, vol. 394, p. 67.
  8. Bispo, A., Morais, A., Calado, C., Mazali, I., and Sigoli, F., Lanthanide-doped luminescent perovskites: A review of synthesis, properties, and applications, J. Luminesc., 2022, vol. 252, p. 119406.
  9. Park, J., Wu, Y., Saidi, W., Chorpening, B., and Duan, Y., First-principles exploration of oxygen vacancy impact on electronic and optical properties of ABO3–δ (A = La, Sr; B = Cr, Mn) perovskites, Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, vol. 22/46, p. 27163.
  10. Wei, H., Chen, X., Wu, Y., and Cao, B., Controlling the electronic and magnetic properties in epitaxial LaMnO3/LaScO3 superlattices, J. Phys. D: Appl. Phys., 2022, vol. 55, p. 495112.
  11. Okuyama, Y., Kozai, T., Ikeda, S., Matsuka, M., Sakaid, T., and Matsumoto, H., Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M = Al, Sc, In, Yb, Y), Electrochim. Acta, 2014, vol. 125, p. 443.
  12. Nomura, K., Takeuchi, T., Kamo, S., Kageyama, H., and Miyazaki, Y., Proton conduction in doped LaScO3 perovskites, Solid State Ionics, 2004, vol. 175, p. 553.
  13. Горелов, В.П., Строева, А.Ю. Протонные твердые электролиты на основе LаScO3. Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 1044. [Gorelov, V.P. and Stroeva, A. Yu., Russ. J. Electrochem., 2012, vol.48, p. 949.]
  14. Plekhanov, М., Kuzmin, A., Tropin, E., Korolev, D., and Ananyev, M., New mixed ionic and electronic conductors based on LaScO3: Protonic ceramic fuel cells electrodes, J. Power Sources, 2020, vol. 449, p. 227476.
  15. Fujii, H., Katayama, Y., Shimura, T., and Iwahara, H., Protonic conduction in perovskite-type oxide ceramics based on LnScO3 (Ln = La, Nd, Sm or Gd) at high temperature, J. Electroceram., 1998, vol. 2, p. 119.
  16. Lesnichyova, A., Stroeva, A., Belyakov, S., Farlenkov, A., Shevyrev, N., Plekhanov, M., Khromushin, I., Aksenova, T., Ananyev, M., and Kuzmin, A., Water Uptake and Transport Properties of La1–xCaxScO3–α Proton-Conducting Oxides, Materials, 2019, vol. 12, p. 2219.
  17. Строева, А.Ю., Горелов, В.П. Природа проводимости в перовскитах Lа1–xSrxScO3–α (x=0.01÷0.15) в окислительных и восстановительных условиях. Электрохимия. 2012. Т. 48. C. 1184. [Stroeva, A. Yu. and Gorelov, V.P., Russ. J. Electrochem, 2012, vol. 48, p. 1079.]
  18. Kim, K.H., Lee, H., and Lee, L., Proton conduction in La0.6Ba0.4ScO2.8 cubic perovskite, Solid State Ionics, 2001, vol. 144, p. 109.
  19. Hyoung, K., Hye, L., Kim, L., Kim, S., and Lee, H.L., Phase formation and electrical conductivity of Ba-doped LaScO3, Japan J. Appl. Phys., 2005, vol. 44, p. 5025.
  20. Carda, M., Budac, D., Paidar, M., and Bouzek, K., Current trends in the description of lanthanum strontium manganite oxygen electrode reaction mechanism in a high-temperature solid oxide cell, Curr. Opinion in Electrochem., 2022, vol. 31, p. 100852.
  21. Zheng, Y., Zhang, C., Ran, R., Cai, R., Shao, Z., and Farrusseng, D., A new symmetric solid-oxide fuel cell with La0.8Sr0.2Sc0.2Mn0.8O3–δ perovskite oxide as both the anode and cathode, Acta Materialia, 2009, vol. 57, p. 1165.
  22. Su, C., Wu, Y., Wang, W., Zheng, Y., Ran, R., and Shao, Z., Assessment of nickel cermets and La0.8Sr0.2Sc0.2Mn0.8O3 as solid-oxide fuel cell anodes operating on carbon monoxide fuel, J. Power Sources, 2010, vol. 195, p. 1333.
  23. Plekhanov, M., Thomä, S. L., Zobel, M., Cuello, G., Fischer, H., Raskovalov, A., and Kuzmin, A., Correlating Proton Diffusion in Perovskite Triple-Conducting Oxides with Local and Defect Structure, Chem. Mater., 2022.
  24. Mizusaki, J., Yonemura, Y., Kamata, H., Ohyama, K., Mori, N., Takai, H., Tagawa, H., Dokiya, M., Naraya, K., Sasamoto, T., Inaba, H., and Hashimoto, T., Electronic conductivity, Seebeck coefficient, defect and electronic structure of nonstoichiometric La1-xSrxMnO3, Solid State Ionics, 2000, vol. 132, p. 167.
  25. Jiang, S.P., Development of lanthanum strontium manganite perovskite cathode materials of solid oxide fuel cells: a review, J. Mater. Sci., 2008, vol. 43, p. 6799.
  26. Dai, H., Yin, Y., Li, X., Ma, C., Chen, Z., Hua, M., and Bi, L., A new Sc-doped La0.5Sr0.5MnO3–δ cathode allows high performance for proton-conducting solid oxide fuel cells, Sustainable Mater. and Technol., 2022, vol. 32, р. 00409.
  27. Rietveld, H.M., The Rietveld Method: A retrospection, Z. für Kristallographiе, 2010, vol. 225, р. 545.
  28. Toby, B.H. and Von Dreele, R.D., GSAS-II: the genesis of a modern open-source all purpose crystallography software package, J. Appl. Crystallography, 2013, vol. 46, р. 544.
  29. Shannon, R.D., Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Crystallographica, 1976, vol. 32, р. 751.
  30. Luo, Х., Yang, Y., Yang, Y., Tian, D., Lu, X., Chen, Y., Huang, Q., and Lin, B., Reduced-temperature redox-stable LSM as a novel symmetrical electrode material for SOFCs, Acta Electrochim., 2018, vol. 260, p. 121.
  31. Kuzmin, A.V., Stroeva, A. Yu., Gorelov, V.P., Novikova, Yu.V., Lesnichyova, A.S., Farlenkov, A.S., and Khodimchuk, A.V., Synthesis and characterization of dense proton-conducting La1–xSrxScO3–α ceramics, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 1130.
  32. Ghosh, A., Sahu, A.K., Gulnar, A.K., and Suri, A.K., Synthesis and characterization of lanthanum strontium manganite, Scripta Mater., 2005, vol. 52, p. 1305.
  33. Mori, T., Inoue, K., and Kamegashira, N., Phase behavior in the system LaxSr1–xMnO(5+x)/2 (x=0.8–1.0) with trivalent state of manganese ion, J. Alloys and Compounds, 2000, vol. 308, p. 87.
  34. Darvish, S., Sabarou, H., Saxena, S., and Zhong, Y., Quantitative defect chemistry analysis and electronic conductivity prediction of La0.8Sr0.2MnO3±δ perovskite, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162, p. 134.
  35. Gua, H., Zheng, Y., Ran, R., Shao, Z., Jina, W., Xua, N., and Ahn, J., Synthesis and assessment of La0.8Sr0.2ScyMn1–yO3–δ as cathodes for solid-oxide fuel cells on scandium-stabilized zirconia electrolyte, J. Power Sources, 2008, vol. 183, p. 471.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Влияние температуры прокаливания на фазообразование La0.9Sr0.1Mn0.8Sc0.2O3 – δ.

Скачать (82KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость плотности керамики La0.9Sr0.1Sc1 – xMnxO3 – δ (x = 0.02–0.20), спеченной при 1550 оС от температуры пред варительного отжига.

Скачать (84KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости плотности получаемой керамики La0.9Sr0.1Sc1 – xMnxO3 – δ от концентрации допанта при температурах спекания 1450, 1550 и 1650 оC. На вставке – микрофотографии сломов образцов керамики La0.9Sr0.1Sc0.95Mn0.05O3 – δ и La0.9Sr0.1Sc0.8Mn0.2O3 – δ, спеченных при температуре 1550 оC.

Скачать (218KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микрофотографии полученного порошка La0.9Sr0.1Sc0.95Mn0.05O3 – δ после стадии сжигания (а), после помола (б).

Скачать (274KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Микрофотографии слома керамики La0.9Sr0.1Sc0.95Mn0.05O3 – δ (а) и La0.9Sr0.1Sc0.6Mn0.4O3 – δ (б ).

Скачать (177KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Рентгеновские дифрактограммы La0.9Sr0.1Sc1– xMnxO3 – δ.

Скачать (115KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Концентрационная зависимость объема элементарной ячейки La0.9Sr0.1Sc1– xMnxO3 – δ; объем элементарной ячейки, полученный методом Ритвельда (квадратные значки); объем псевдокубической ячейки с Mn3+ (сплошная линия); объем псевдокубической ячейки с Mn4+ (пунктирная линия).

Скачать (69KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Температурные зависимости образцов La0.9Sr0.1Sc1– xMnxO3 – δ в атмосфере осушенного воздуха pH2O ≤ 0.1 кПа (а) и в атмосфере увлажненного воздуха рН2О = 2.8 кПа (б).

Скачать (141KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Концентрационная зависимость проводимости образцов La0.9Sr0.1Sc1– xMnxO3 – δпри температуре 800 оС в атмосфере осушенного воздуха (pH2O ≤ 0.1 кПа) и в атмосфере увлажненного воздуха (pH2O = 2.8 кПа).

Скачать (60KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024