Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария- неодима
SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON NEODYMIUM BARIUM INDATE

2
2
7
Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-неодима (BaNdInO), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.
3
3
3
Большинство известных материалов, характеризующихся протонной проводимостью в сочетании с низкой химической устойчивостью, обладают структурой перовскита или производной от нее. К таким материалам относится, например, материал протонпроводящего электролита на основе BaCeO [Ryu K.H., Haile S.M. Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO-BaZrO solid solutions // Solid State Ionics. – 1999. V. 125, P. 355–367. https://doi.org/ 10.1016/S0167-2738(99)00196-4]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к углекислому газу, что снижает его эффективность при работе в топливных элементах.
o
−2
o
−5
−1
−1
2
В качестве новых перспективных протонных проводников можно рассматривать химические соединения со структурой, отличной от структуры перовскита. В качестве таковых известен индат бария-неодима, характеризующийся блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Этот материал представляет собой протонный проводник при температуре ниже 450 C и влажности атмосферы pHO = 2⋅10 атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 450 C составляют 1.8⋅10 Ом⋅см.
Задача настоящего изобретения состоит в повышении протонной проводимости материала на основе индата бария-неодима, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.
1.9
0.1
2
6.95
Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария- неодима, представляющий собой индат бария-неодима, допированный стронцием, имеющий состав: BaNdSrInO.
При введении катионов стронция в подрешетке неодима образуются вакансии кислорода, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости.
o
−2
2
Полученный индат бария-неодима, допированный стронцием характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 450 C и pHO = 2⋅10 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.
o
−2
2
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-неодима, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T < 450 C и pHO = 2⋅10 атм.
1.9
0.1
2
6.95
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
2
2
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
−5
−2
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 показана дифрактограмма образца материала BaNdSrInO. На фиг. 2 и 3 – температурные зависимости электропроводности образца материала BaNdSrInO в сравнении с материалом BaNdInO в сухой (pHO = 3.5⋅10 атм) и влажной (pHO = 2∙10 атм) атмосферах соответственно. На фиг. 4 – температурные зависимости протонной проводимости образца материала BaNdSrInO в сравнении с материалом BaNdInO.
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
1.9
0.1
2
6.95
1.9
0.1
2
6.95
Материал BaNdSrInO получен методом твердофазного синтеза, известным из [Caldes M., Michel C., Rouillon T., Hervieu M., Raveau B. Novel indates LnBaInO, n = 2 members of the Ruddlesden– Popper family (Ln = La, Nd) // Journal of Materials Chemistry. – V. 12. – P. 473–476]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала BaLaCaInO (Фиг.1) на дифрактометре Bruker Advance D8 в СuКα-излучении при напряжении на трубке 40 кВ и токе 40 мА. Съемка производилась в интервале 2θ = 20°–80° с шагом 0.05°θ и экспозицией 1 секунда на точку. Анализ показал, что материал BaNdSrInO является однофазными и характеризуется тетрагональной симметрией.
1.9
0.1
2
6.95
2
2
2
2
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
–5
−5
−2
Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала BaNdSrInO, (в температурном диапазоне от 300 ºC до 900 ºС, в частотном интервале 1 Гц÷1 МГц и в атмосферах воздуха (pO = 0.21 атм) и аргона (pO = 10 атм). Результаты измерения показаны на фиг.2 и 3 в сухой (pHO = 3.5⋅10 атм) и влажной (pHO = 2⋅10 атм) атмосферах соответственно. Данные демонстрируют высокие значения электропроводности в исследуемом температурном интервале, которые для материала BaNdSrInO выше, чем для материала BaNdInO.
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
1.9
0.1
2
6.95
2
2
7
o
−5
−1
−1
−5
−1
−1
Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости материалов BaNdSrInO и BaNdInO представлены на фиг.4, из которой видно, что при 450 C величина протонной проводимости материала BaNdSrInOсоставляет 3.3⋅10 Ом⋅см, а материала BaNdInO– 1.8⋅10 Ом⋅см.
Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-неодима, и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.