Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМАТОВ НЕОДИМА ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНЫМ МЕТОДОМ С ИОННЫМИ ЗОНДАМИ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.024-035

Полный текст:

Аннотация

Синтезированы керамические твердые протонные электролиты La0,99Ca0,01NbO4, Nd5,5WO11,25-δ и Nd5,5W0,5Mo0.5O11,25-δ , измерена протонная проводимость этих электролитов при температуре 300–650 оС в атмосфере сухого и влажного воздуха. Показано, что твердые электролиты обладают высокой протонной проводимостью ~ 10-4 См/см при 500 оC. Методом горячего прессования в атмосфере аргона изготовлены плотные металлокерамические материалы состава Ni0,5Cu0,5+Nd5,5WO11,25- δ и Ni0,5Cu0,5+Nd5,5W0,5Mo0,5O11,25-δ , которые обладают общей проводимостью, типичной для металлов. При исследовании свойств металлокерамических материалов возникает проблема экспериментального определения вклада ионной (в данном случае протонной) проводимости в общую проводимость материала. Значения протонной проводимости могут быть оценены по результатам изучения водородной проницаемости мембран и диффузии водорода, однако эти методы достаточно сложны в аппаратурном исполнении, поэтому наиболее актуальными в данном случае являются относительно простые и доступные электрофизические методы. Впервые проведены измерения парциальной протонной проводимости полученных композитных материалов в 4-электродной ячейке с помощью ионных зондов, изготовленных из керамического протонного проводника La0,99Ca0,01NbO4 в атмосфере влажного водорода при температуре 300–650 оС. В области низких температур значения парциальной протонной проводимости, измеренные в 4-электродной ячейке, хорошо согласуются с аналогичными значениями, полученными при стандартных измерениях комплексного импеданса исходных керамик, не содержащих металлов, в то время как в области высоких температур значения, полученные различными методами, расходятся. Это расхождение может быть объяснено вкладом электрохимической реакции, протекающей на границе раздела фаз ионный зонд/металл и сопровождающейся растворением атомарного водорода в металле. В общем случае измеряемое значение ионной проводимости может быть как занижено, так и завышено по сравнению с реальным значением в зависимости от скорости химических реакций, протекающих на электродах. Тем не менее в ограниченной области температур использование 4-х электродных измерений с протонными зондами позволяет получить корректные результаты.

 

Об авторах

Н. Ф. Уваров
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный университет; Новосибирский государственный технический университет
Россия

д-р хим. наук, главный научный сотрудник, зав. лабораторией Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск); профессор, зав. кафедрой Новосибирского государственного технического университета; профессор Ново- сибирского государственного университета

ResearcherID: A-5031-2014

SPIN-код: 8137-4513,

AuthorID: 33743



А. С. Улихин
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Россия

канд. хим. наук, старший научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем Института химии твердого тела и меха- нохимии СО РАН (Новосибирск)

Researcher ID: P-1187-2017

SPIN-код: 2810-7309



Ю. Н. Беспалко
Институт катализа им. Борескова СО РАН
Россия

канд. хим. наук, научный сотрудник Лаборатории катализаторов глубокого окисления Института катализа СО РАН (Новосибирск)

ResearcherID: D-2058-2014

SPIN-код: 4097-5494,

AuthorID: 180559



Н. Ф. Еремеев
Институт катализа им. Борескова СО РАН
Россия

канд. хим. наук, научный сотрудник Института катализа СО РАН

Researcher ID: D-7148-2012

РИНЦ: 642122

Scopus: 55645818400



А. В. Краснов
Институт катализа им. Борескова СО РАН
Россия
младший научный сотрудник Института катализа СО РАН


П. И. Скрябин
Институт катализа им. Борескова СО РАН
Россия

аспирант, младший научный сотрудник Института катализа СО РАН

ResearcherID: O-5095-2016

SPIN-код: 2282-4707



В. А. Садыков
Новосибирский государственный университет; Институт катализа им. Борескова СО РАН
Россия

д-р хим. наук, главный научный сотрудник, зав. лабораторией Института катализа СО РАН (Новосибирск); зав. лаб., профессор Новосибирского государственного университета; член Американского химического общества и Общества по изучению свойств материалов

Researcher ID: F-9131-2012



Список литературы

1. de Souza, E.C.C. Properties and applications of perovskite proton conductors / E.C.C. de Souza, R. Muccillo // Journal of Material Research. – 2010. – Vol. 13. – P. 385–394.

2. Adhikari, S. Hydrogen membrane separation techniques / S. Adhikari, S. Fernando // Industrial & Chemistry Research. – 2006. – Vol. 45. – P. 875–881.

3. Ruiz-Trejo, E. Ceramic proton conducting membranes for the electrochemical production of syngas / E. Ruiz-Trejo, J.T.S. Irvine // Solid State Ionics. – 2016. – Vol. 216. – P. 36–40.

4. Tao, Z. A review of advanced proton-conducting materials for hydrogen separation / Z. Tao [et al.] // Progress in Material Science. – 2015. – Vol. 74. – P. 1–50.

5. Ockwig, N.W. Membranes for hydrogen separation / N.W. Ockwig, T.M. Nenoff // Chemical Reviews. – 2007. – Vol. 107. – P. 4078–4110.

6. Zhang, Q. Modeling of hydrogen permeation for Ni–ceramic proton conductor composite membrane with symmetric structure / Q. Zhang [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2012. – Vol. 415–416. – P. 328–335.

7. Vente, J. / Performance of functional perovskite membranes for oxygen production / J. Vente, W. Haije, Z. Rak // Journal of Membrane Science . – 2006. – Vol. 276. – P. 178–184.

8. Sadykov, V. Nanocomposite catalysts for steam reforming of methane and biofuels: Design and performance // Advances in Nanocomposites–Synthesis, Char-acterization and Industrial Applications / V. Sadykov [et al.]; ed. Dr. Boreddy Reddy. – InTech, 2011. – Ch. 39. – P. 909–946.

9. Shelepova, E. Theoretical and experimental study of methane partial oxidation to syngas in catalytic membrane reactor with asymmetric oxygen-permeable membrane / E. Shelepova [et al.] // Catalysis Today. – 2016. – Vol. 268. – P. 103–110.

10. Meng, X. Ni–BaCe0.95Tb0.05O3−δ cermet membranes for hydrogen permeation / X. Meng [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2012. – Vol. 401–402. – P. 300–305.

11. Lim, D.-K. Performance of proton-conducting ceramic-electrolyte fuel cell with BZCY40 electrolyte and BSCF5582 cathode / D.-K. Lim [et al.] // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42. – P. 3776–3785.

12. Fjeld, H. / Proton and oxide ion conductivity in grain boundaries and grain interior of Ca-doped Er2Ti2O7 with Si-impurities / H. Fjeld [et al.] // Solid State Ionics. – 2008. – V.179. – P.1849–1853.

13. Escolástico, S. Study of hydrogen permeation in (La5/6Nd1/6)5.5WO12-δ membranes / S. Escolástico, C. Solís, J.M. Serra // Solid State Ionics. – 2012. – Vol. 216. – P. 31–35.

14. Escolástico, S. On the ionic character of H2 separation through mixed conducting Nd5.5W0.5Mo0.5O11.25−δ membrane / S. Escolástico [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 11392-11399.

15. Escolástico, S. Nd5.5W1−xUxO11.25−δ system: Electrochemical characterization and hydrogen permeation study / S. Escolástico, J.M. Serra // Journal of Membrane Science. – 2015. – Vol. 489. – P. 112–118.

16. Solís, C. La5.5WO12-δ characterization of transport properties under oxidizing conditions: a conductivity re-[et al.] // Journal of Physical Chemistry C. – 2011. – Vol. 115. – P. 11124–11131.

17. Magrasó, A.Complete structural model for lanthanum tungstate: a chemically stable high temperature proton conductor by means of intrinsic defects / A. Magrasó [et al.] // Journal of Material Chemistry. – 2012. – Vol. 22. – P. 1762–1764.

18. Magrasó, A. Effects of the La/W ratio and doping on the structure, defect structure, stability and functional properties of proton-conducting lanthanum tungstate La28−xW4+xO54+δ / A. Magrasó, R. Haugsrud // Journal of Material Chemistry A. – 2014. – Vol. 2. – P. 12630–12641.

19. Hancke, R. Hydration of lanthanum tungstate (La/W=5.6 and 5.3) studied by TG and simultaneous TG–DSC / R. Hancke [et al.] // Solid State Ionics. – 2013. – Vol. 231. – P. 25–29.

20. Xing, W. Hydrogen permeation, transport properties and microstructure of Ca-doped LaNbO4 and LaNb3O9 composites / W. Xing [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2012. – Vol. 415. – P. 878–885.

21. Syvertsen, G.E. Spark plasma sintering and hot pressing of hetero-doped LaNbO4 / G.E. Syvertsen [et al.] // Journal of American Ceramic Society. – 2012. – Vol. 95. – P. 1563–1571.

22. Haugsrud, R. Proton conduction in rare-earth ortho-niobates and ortho-tantalates / R. Haugsrud, T. Norby // Nature Materials. – 2006. – Vol. 5. – P. 193– 196.

23. Haugsrud, R. High-temperature proton conductivity in acceptor-doped LaNbO4 / R. Haugsrud, T. Norby // Solid State Ionics. – 2006. – Vol. 177. – P. 1129–1135.

24. Haugsrud, R. Defects and transport properties in Ln6WO12 (Ln=La, Nd, Gd, Er) / R. Haugsrud // Solid State Ionics. – 2007. – Vol. 178. – P. 555–560.

25. Roitsch, S. Structural investigations on gas-separation membrane materials by transmission electron microscopy [Online resource] / S. Roitsch, J. Barthel, J. Mayer. – Available on: https://www.researchgate.net/publication/267723132. – (Дата обращения: 27.09.17).

26. Partin, G.S. Conductivity and hydration of fluorite-type La6-xWO12-1.5x phases (x = 0.4; 0.6; 0.8; 1) / G.S. Partin [et al.] // Russian Journal of Electrochemis-try. – 2015. – Vol. 51. – P. 381–390.

27. McCarthy, G.J. Crystal chemistry and compound formation in the systems rare earth sesquioxide – WO3 / G.J. McCarthy [et al.] // Journal of research of the National Bureauof Standards. – 1972. – No 364. – P. 397–411.

28. Trunov, V. Investigation of the double oxides formeed in the reaction of Nd2O3, Sm2O3, and Er2O3 with Tungsten (VI) oxide / V. Trunov, G. Tuushevskaya, N. Afonskii // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 1968. – Vol. 13. – P. 491–493.

29. Pavlova, S.N. Genesis, structural, and transport properties of La2Mo2-xWxO9 prepared via mechanochemical activation / S.N. Pavlova [et al.] // Ionics. International Journal of Ionics: The Science and Technology of Ion Motion. – 2017. – Vol. 23. – P.877–887.

30. Ryu, J.H. Microwave-assisted synthesis of nanocrystalline MWO4 (M: Ca, Ni) via water-based citrate complex precursor / J.H. Ryu [et al.] // Ceramic International. – 2005. – Vol. 31. – P. 883–888.

31. Чеботин, В.Н. Химическая диффузия в твердых телах / В.Н. Чеботин. – М.: Наука, 1989. – 208 с.

32. Hebb, M.N. Electrical Conductivity of Silver Sulfide / M.N. Hebb // Journal of Chemical Physics. – 1952. – Vol. 20. – P.185–190.

33. Fukai, Y. Diffusion of hydrogen in metals / Y. Fukai, H. Sugimoto // Advances in Physics. – 1985. – Vol. 34. – No 2 – P. 263–326.

34. Wipf, H. Solubility and diffusion of hydrogen in pure metals and alloys / H. Wipf // Phys. Scr. – 2001. – Vol. T94. – P. 43–51.

35. Чеботин, В.Н. Электрохимия твердых электролитов / В.Н. Чеботин, М.В. Перфильев. – М.: Химия. – 1978. – 312 с.


Для цитирования:


Уваров Н.Ф., Улихин А.С., Беспалко Ю.Н., Еремеев Н.Ф., Краснов А.В., Скрябин П.И., Садыков В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМАТОВ НЕОДИМА ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНЫМ МЕТОДОМ С ИОННЫМИ ЗОНДАМИ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017;(31-36):24-35. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.024-035

For citation:


Uvarov N.F., Ulihin A.S., Bespalko Y.N., Eremeev N.F., Krasnov A.V., Skriabin P.I., Sadykov V.A. STUDY OF TRANSPORT PROPERTIES OF COMPOSITE METAL-CERAMIC MEMBRANE MATERIALS FOR SELECTIVE SEPARATION OF HYDROGEN. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(31-36):24-35. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.024-035

Просмотров: 101


ISSN 1608-8298 (Print)