alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.13-15.88-100alternative-1703Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономикаIV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen EconomyВзаимодействие H2O, O2 И H2 с протонпроводящими оксидами на основе скандата лантанаInteraction of H2O, O2 and H2 with Proton Conducting Oxides Based on Lanthanum ScandatesФарленковА. С.FarlenkovA. S.

Андрей Сергеевич Фарленков - инженер/аспирант, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

д. 20, ул. Академическая, Екатеринбург, 620990, 

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

ResearcherID: C-5426-2014

ScopusID: 56297375900  

Andrey Farlenkov - engi-neer / Ph.D. student, Institute of High-Temperature Electrochemistry, UB RAS

20 Akademicheskaya Str., Yekaterinburg, 620990, 

19 Mir Str., Yekaterinburg, 620002

a.farlenkov@yandex.ruЖуравлевН. А.ZhuravlevN. A.

Николай Алексеевич Журавлев - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А.Л. Ивановского

д. 91, ул. Первомайская, Екатеринбург, 620990

Nikolai Zhuravlev - Ph.D. in Physics and Mathematics, Senior Re-searcher, Laboratory of Quantum Chemi-stry and Spectroscopy named after A.L. Ivanovsky

19 Mir Str., Yekaterinburg, 620002

ДенисоваТ. А.DenisovaТ. A.

Татьяна Александровна Денисова - доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А.Л. Ивановского, ученый секретарь ФГБУН Института химии твердого тела УрО РАН  

д. 91, ул. Первомайская, Екатеринбург, 620990

Tatiana Denisova - D.Sc. in Chemistry, Chief Researcher, Laborato-ry of Quantum Chemistry and Spectrosco-py named after A.L. Ivanovsky, Academic Secretary

19 Mir Str., Yekaterinburg, 620002

АнаньевМ. В.AnanyevМ. V.

Максим Васильевич Ананьев - доктор химических наук, заведующий лабораторией ТОТЭ, директор ИВТЭ УрО РАН

д. 20, ул. Академическая, Екатеринбург, 620990, 

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Research ID: F-5104-2014

Scopus ID: 15061114600       

Maxim Ananyev - D.Sc. in Chemistry, the Head of Labora-tory of SOFC, Director of Institute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the RAS       

20 Akademicheskaya Str., Yekaterinburg, 620990, 

19 Mir Str., Yekaterinburg, 620002

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияInstitute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the RAS; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationИнститут химии твердого тела УрО РАНРоссияInstitute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RASRussian Federation201926062019013-1588100Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1703

Методом высокотемпературного термогравиметрического анализа проведены исследования процессов взаимодействия компонентов газовой фазы в температурном диапазоне 300−950 °С при парциальном давлении кислорода 8,1−50,7 кПа, воды 6,1−24,3 кПа и водорода 4,1 кПа с оксидами La1–xSrxScO3–α (x = 0; 0,04; 0,09). Показано, что в случае повышения парциального давления паров воды при постоянном парциальном давлении кислорода (или водорода) в газовой фазе кажущийся уровень насыщения протонами увеличивается. Рост кажущегося уровня насыщения протонами происходит и при повышении парциального давления кислорода при постоянном парциальном давлении паров воды в газовой фазе. В работе обсуждались возможные причины наблюдаемых процессов. Методом изотопного обмена водорода с уравновешиванием изотопного состава газовой фазы проведены ис-следования процессов инкорпорирования водорода из атмосферы молекулярного водорода в структуру протон-проводящих оксидов на основе скандатов лантана. Определены концентрации протонов и дейтеронов в температурном интервале 300−800 °С и давлении водорода 0,2 кПа для оксида La0,91Sr0,09ScO3–α. В работе обсуждалась роль вакансий кислорода в процессе инкорпорирования протонов и дейтеронов из атмосферы молекулярного водорода в структуру протонпроводящих оксидов La1–xSrxScO3–α (x = 0; 0,04; 0,09). Методом протонного магнитного резонанса выполнены исследования локальной структуры в температур-ном диапазоне 23−110 °С при скорости вращения 10 кГц под магическим углом для оксида La0,96Sr0,04ScO3–α после термогравиметрических измерений в атмосфере, содержащей водяной пар, а также после выдержек в атмосфере молекулярного водорода. Однозначно показано существование протонных дефектов, инкорпорированных в объем исследуемого протонпроводящего оксида как из атмосферы, содержащей воду, так и из атомосферы, содержащей молекулярный водород. В работе рассмотрено влияние вкладов объема и поверхности оксида La0,96Sr0,04ScO3–α на форму спектров протонного магнитного резонанса

The research uses the method of high-temperature thermogravimetric analysis to study the processes of interaction of the gas phase in the temperature range 300–950 °C in the partial pressure ranges of oxygen 8.1–50.7 kPa, water 6.1–24.3 kPa and hydrogen 4.1 kPa with La1–xSrxScO3–α oxides (x = 0; 0.04; 0.09). In the case of an increase in the partial pressure of water vapor at a constant partial pressure of oxygen (or hydrogen) in the gas phase, the apparent level of saturation of protons is shown to increase. An increase in the apparent level of saturation of protons of the sample also occurs with an increase in the partial pressure of oxygen at a constant partial pressure of water vapor in the gas phase. The paper discusses the causes of the observed processes. The research uses the hydrogen isotope exchange method with the equilibration of the isotope composition of the gas phase to study the incorporation of hydrogen into the structure of proton-conducting oxides based on strontium-doped lanthanum scandates. The concentrations of protons and deuterons were determined in the temperature range of 300–800 °C and a hydrogen pressure of 0.2 kPa for La0.91Sr0.09ScO3–α oxide. The paper discusses the role of oxygen vacancies in the process of incorporation of protons and deuterons from the atmosphere of molecular hydrogen into the structure of the proton conducting oxides La1–xSrxScO3–α (x = 0; 0.04; 0.09). The proton magnetic resonance method was used to study the local structure in the temperature range 23–110 °C at a rotation speed of 10 kHz (MAS) for La0.96Sr0.04ScO3–α oxide after thermogravimetric measurements in an atmosphere containing water vapor, and after exposures in molecular hydrogen atmosphere. The existence of proton defects incorporated into the volume of the investigated proton oxide from both the atmosphere containing water and the atmosphere containing molecular hydrogen is unambiguously shown. The paper considers the effect of the contributions of the volume and surface of La0.96Sr0.04ScO3–α oxide on the shape of the proton magnetic resonance spectra.

термогравиметрияядерный магнитный резонансизотопный обмен водородаскандат лантана-стронциягидратацияокислениегидрированиепротонпроводящие оксидыводородная энергетикаTGA1Н NMRhydrogen isotope exchangelanthanum-strontium scandatehydrationoxidationhydrogenationproton-conducting oxideshydrogen power generationРабота выполнена при частичной финансовой поддержке грантов Российского научного фонда (№ 16-13-00053-П) с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Состав вещества» и УНУ «Изотопный обмен» ИВТЭ УрО РАН. Образовательная деятельность аспирантов и магистрантов, участвующих в данной работе, поддержана программой 211 Правительства Российской Федерации (соглашение № 02.A03.21.0006). Эксперименты по 1H ЯМР частично выполнены по проекту № 18-10-3-32 фундаментальных научных исследований Комплексной программы УрО РАНThis study is partly supported by the grant of the Russian Science Foundation (Project number № 16-13-00053-П). This work is done using the facilities of the Shared access center “Composition of Compounds” and Unique Scientific Setup “Isotope Exchange” of IHTE UB RAS. The education activity of Ph.D. and master students involved into this work is sup-ported by Act 211 of Government of the Russian Federation, agreement No. 02.A03.21.0006. 1H NMR experiments are part-ly performed according to the complex scientific program (№ 18-10-3-32) of ISSC UB RASReferencesBi, L. Steam electrolysis by solid oxide electrolysis cells (SOECs) with proton-conducting oxides / L. Bi, S. Boulfrad, E. Traversa // Chemical Society Reviews. – 2014. – Vol. 43(24). – P. 8255–8270.Bi, L. Steam electrolysis by solid oxide electrolysis cells (SOECs) with proton-conducting oxides / L. Bi, S. Boulfrad, E. Traversa // Chemical Society Reviews. – 2014. – Vol. 43(24). – P. 8255–8270.Hübert, T. Hydrogen sensors – A review / T. Hübert [et al.] // Sensors and Actuators B. – 2011. – Vol. 157. – 329–352.Hübert, T. Hydrogen sensors – A review / T. Hübert [et al.] // Sensors and Actuators B. – 2011. – Vol. 157. – 329–352.Malerød-Fjeld, H. Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss / H. Malerød-Fjeld [et al.] // Nature Energy. – 2017. – Vol. 2. – P. 923–931.Malerød-Fjeld, H. Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss / H. Malerød-Fjeld [et al.] // Nature Energy. – 2017. – Vol. 2. – P. 923–931.Fabbri, E. Towards the next generation of Solid Oxide Fuel Cells operating below 600°C with chemically stable proton‐conducting electrolytes / E. Fabbri [et al.] // Advanced Materials. − 2012. – Vol. 24(2). − P. 195−208.Fabbri, E. Towards the next generation of Solid Oxide Fuel Cells operating below 600°C with chemically stable proton‐conducting electrolytes / E. Fabbri [et al.] // Advanced Materials. − 2012. – Vol. 24(2). − P. 195−208.Norby, T. Solid-state protonic conductors: principles, properties, progress and prospects / T. Norby // Solid State Ionics. – 1999. – Vol. 12. – P. 51–11.Norby, T. Solid-state protonic conductors: principles, properties, progress and prospects / T. Norby // Solid State Ionics. – 1999. – Vol. 12. – P. 51–11.Kreuer, K.D. Proton-conducting oxides. / K.D. Kreuer // Annual Review of Materials Research. – 2003. – Vol. 33. – P. 333–359.Kreuer, K.D. Proton-conducting oxides. / K.D. Kreuer // Annual Review of Materials Research. – 2003. – Vol. 33. – P. 333–359.Gorelov, V.P. Solid proton conducting electrolytes based on LaScO3 / V. P. Gorelov, A.Yu. Stroeva // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. – Vol. 48. – P. 949–960.Gorelov, V.P. Solid proton conducting electrolytes based on LaScO3 / V. P. Gorelov, A.Yu. Stroeva // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. – Vol. 48. – P. 949–960.Stroeva, A.Yu. Phase composition and conductivity of La1−xSrxScO3−α (x = 0.01−0.20) under oxidative conditions / A.Yu. Stroeva [et al.] // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. – Vol. 48. – P. 509–517.Stroeva, A.Yu. Phase composition and conductivity of La1−xSrxScO3−α (x = 0.01−0.20) under oxidative conditions / A.Yu. Stroeva [et al.] // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. – Vol. 48. – P. 509–517.Stroeva, A.Yu. Nature of conductivity of perovskites La1−xSrxScO3−α (x = 0.01−0.15) under oxidative and reducing conditions / A.Yu. Stroeva, V.P. Gorelov // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. − Vol. 48. – P. 1079–1085.Stroeva, A.Yu. Nature of conductivity of perovskites La1−xSrxScO3−α (x = 0.01−0.15) under oxidative and reducing conditions / A.Yu. Stroeva, V.P. Gorelov // Russian Journal of Electrochemistry. – 2012. − Vol. 48. – P. 1079–1085.Farlenkov, A.S. Water Uptake, Ionic and Hole Transport in La0.9Sr0.1ScO3–δ / A.S. Farlenkov [et al.] // Solid State Ionics. – 2017. – Vol. 306. − P. 126−136.Farlenkov, A.S. Water Uptake, Ionic and Hole Transport in La0.9Sr0.1ScO3–δ / A.S. Farlenkov [et al.] // Solid State Ionics. – 2017. – Vol. 306. − P. 126−136.Okuyama, Y. Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M = Al, Sc, In, Yb, Y) / Y. Okuyama [et al.] // Electrochimica Acta. – 2014. – Vol. 125. – P. 443–449.Okuyama, Y. Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M = Al, Sc, In, Yb, Y) / Y. Okuyama [et al.] // Electrochimica Acta. – 2014. – Vol. 125. – P. 443–449.Farlenkov, A.S. Local disorder and water uptake in La1–xSrxScO3–δ / A.S. Farlenkov [et al.] // Solid State Ionics. – 2017. − Vol. 306. − P. 82−88.Farlenkov, A.S. Local disorder and water uptake in La1–xSrxScO3–δ / A.S. Farlenkov [et al.] // Solid State Ionics. – 2017. − Vol. 306. − P. 82−88.Ananyev, M.V. Isotopic exchange between hydrogen from the gas phase and proton-conducting oxides: Theory and experiment / M.V. Ananyev, A.S. Farlenkov, E.Kh. Kurumchin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – P. 13373−13382.Ananyev, M.V. Isotopic exchange between hydrogen from the gas phase and proton-conducting oxides: Theory and experiment / M.V. Ananyev, A.S. Farlenkov, E.Kh. Kurumchin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – P. 13373−13382.Vlasov, M.I. Local levels in La1−xSrxScO3−x/2 band-gap under interaction with components of O2, H2, H2O atmospheres / M.I. Vlasov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. − 2018. − Vol. 43. − P. 17364−17372.Vlasov, M.I. Local levels in La1−xSrxScO3−x/2 band-gap under interaction with components of O2, H2, H2O atmospheres / M.I. Vlasov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. − 2018. − Vol. 43. − P. 17364−17372.Vlasov, M.I. Effect of Proton Uptake on the Structure of Energy Levels in the Band-Gap of Sr-doped LaScO3: Diffuse Reflectance Spectroscopy and Coherent Potential Approximation Calculations / M.I. Vlasov [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics.− 2019. − Vol. 21– P. 7989−7995.Vlasov, M.I. Effect of Proton Uptake on the Structure of Energy Levels in the Band-Gap of Sr-doped LaScO3: Diffuse Reflectance Spectroscopy and Coherent Potential Approximation Calculations / M.I. Vlasov [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics.− 2019. − Vol. 21– P. 7989−7995.Pinaeva, L.G. 1H- and V-51 high-resolution solid-state nuclear-magnetic-resonance studies of supported V2O5/TiO2 catalysts / L.G. Pinaeva [et al.] // Journal of Molecular Catalysis. − 1994. − Vol. 88. − P. 311−323.Pinaeva, L.G. 1H- and V-51 high-resolution solid-state nuclear-magnetic-resonance studies of supported V2O5/TiO2 catalysts / L.G. Pinaeva [et al.] // Journal of Molecular Catalysis. − 1994. − Vol. 88. − P. 311−323.Nosaka, A.Y. Characteristics of water adsorbed on TiO2 photocatalytic surfaces as studied by 1H NMR spectroscopy / A.Y. Nosaka, Y. Nosaka // Bulletin of Chemical Society of Japan. – 2005. – Vol. 78. – P. 1595–1607.Nosaka, A.Y. Characteristics of water adsorbed on TiO2 photocatalytic surfaces as studied by 1H NMR spectroscopy / A.Y. Nosaka, Y. Nosaka // Bulletin of Chemical Society of Japan. – 2005. – Vol. 78. – P. 1595–1607.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.