Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

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

ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТОННЫХ ПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ Ba4Ca2Nb2O11 И La6WO12 К СО2

https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.10-12.043-059

Полный текст:

Аннотация

Для создания эффективного топливного элемента на базе высокотемпературного протонного проводника необходимо разработать долговечный протонный электролит. В общем случае долговременная химическая устойчивость фазы к СО2 обусловлена термодинамикой (невозможность реакции) или кинетикой взаимодействия (замедление реакции). В данной работе проведено сравнение химической устойчивости по отношению к СО2 (как термодинамической, так и связанной с кинетическими затруднениями) перспективных высокотемпературных протонных проводников на базе двойного перовскита Ba4-хCa2+хNb2O11 (х = 0,4; 0; –0,4) и двойного флюорита La6-хWO12-1,5 (х = 0,4; 0,6; 0,8; 1). Температура устойчивости к СО2 (выше которой фаза стабильна к СО2, ниже которой фаза взаимодействует с СО2) является важной технической характеристикой термодинамической устойчивости фазы к СО2: чем ниже температура устойчивости, тем стабильнее фаза к СО2. В работе применялись методы твердофазного синтеза, РФА, термогравиметрии с масс-спектрометрией и для измерения электропроводности – метод импеданса. Установлено, что материалы на базе La6WO12 относительно термодинамически устойчивы в обычном воздухе с СО2 (10-3 атм) в рабочем диапазоне 650–1 000 ºС (верхняя граница рабочих температур твердооксидного топливного элемента составляет 1 000 ºС). Фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 устойчивы к СО2 в воздухе в диапазоне 850–1000 ºС. Для того чтобы материал использовался в условиях его термодинамической стабильности, требуется температура устойчивости ниже рабочей температуры (400–700 ºС). Таким образом, фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 термодинамически неустойчивы к СО2 при 700 ºС, а фазы на основе La6WO12 устойчивы при 700 ºС. При отсутствии термодинамической устойчивости фазы в некоторых случаях может проявляться связанная с кинетическими затруднениями устойчивость данной фазы к СО2, достаточно долговременная для практического использования. Например, возможно образование сплошного блокирующего диффузию поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2 (карбонатов Ba, Ca, La) на границе зерен основной фазы. Наблюдаемое для исследованных образцов увеличение зернограничного сопротивления может быть связано с образованием поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2. Для керамических образцов La6-хWO12-1,5х (х = 0,4; 0,6; 0,8; 1) показано, что зернограничное и электродное сопротивление после выдержки 30 суток при 200 ºС во влажном атмосферном воздухе (СО2 10-3 атм) возрастает примерно в 3 раза при 800 ºС и в 10 раз при 400 ºС.

Об авторах

Д. В. Корона
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Даниил Валентинович Корона – младший научный сотрудник отдела химического материаловедения научно-исследовательского института физики и прикладной математики Института естественных наук и математики

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002



Г. C. Партин
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Григорий Сергеевич Партин – аспирант

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002



И. Е. Анимица
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Ирина Евгеньевна Анимица – доктор химических наук, профессор

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002



А. Р. Шарафутдинов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Альберт Рашитович Шарафутдинов кандидат химических наук, научный сотрудник

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002



Список литературы

1. Kawasaki, Y. Proton conduction and chemical stability of (La0.5Sr0.5)(Mg0.5+yNb0.5-y)O3-d [Text] / Y. Kawasaki [et al.] // Materials Research Bulletin. – 2009. – Vol. 44. – Р. 457–461.

2. Pasierb, P. Application of DTA-TG-MS for determination of chemical stability of BaCeO3-δ based protonic conductors [Text] / P. Pasierb [et al.] // Thermal Analisys and Calorimetry – 2014. – Vol. 117. – P. 683–691.

3. Lin, B. Stable, easily sintered BaCe0.5Zr0.3Y0.16Zn0.04O3-d electrolyte-based protonic ceramic membrane fuel cells with Ba0.5Sr0.5Zn0.2Fe0.8O3-d perovskite cathode [Text] / B. Lin [et al.] // Journal of Power Sources. – 2008. – Vol. 183. – P.479–484.

4. Fabbri, E. Tailoring the chemical stability of Ba(Ce0.8−xZrx)Y0.2O3−δ protonic conductors for intermediate temperature solid oxide fuel cells (ITSOFCs) [Text] / E. Fabbri [et al.] // Solid State Ionics. – 2008. – Vol. 179. – P. 558–564.

5. Shin, J.F. Enhanced CO2 stability of oxyanion doped Ba2In2O5 systems co-doped with La, Zr [Text] / J.F. Shin, P.R. Slater // Journal of Power Sources. – 2011. – Vol. 196. – P. 8539–8543.

6. Murugaraj, P. High proton conductivity in barium yttrium stannate BaYSnO5,5. [Text] / P. Murugaraj [et al.] // Solid state ionics. – 1997. – Vol. 98. – P. 1–6.

7. Smith, A. D. Investigation into the incorporation of phosphate into BaCe1−yAyO3−y/2 (A = Y, Yb, In) [Text] / A.D. Smith and P.R. Slater // Inorganics. – 2014. – Vol. 2. – P. 16–28.

8. Magraso, A. Structure, chemical stability and mixed proton–electron conductivity in BaZr0.9−xPrxGd0.1O3−I [Text] / A. Magraso [et al.] // Journal of Power Sources. – 2011. – Vol. 196. – P. 9141–9147.

9. Bhella, S.S. Synthesis and characterisation of carbon dioxide and boiling water stable proton conducting double perovskite-type metal oxides [Text] / S.S. Bhella, V. Thangadurai // J. of Power Sources. – 2009. – Vol. 186. – P. 311–319.

10. Lu, J. Chemical stability of doped BaCeO3– BaZrO3 solid solutions in different atmospheres [Text] / J. Lu // Journal of Rare Earth. – 2008. – Vol. 26. – No. 4. – P. 505–510.

11. Medvedev, D.A. Sulfur and carbon tolerance of BaCeO3–BaZrO3 proton-conducting materials [Text] / D.A. Medvedev [et al.] // Journal of Power Sources. – 2015. – Vol. 273– P. 716–723.

12. Medvedev, D.A. BaCeO3: Materials development, properties and application. [Text] / D.A. Medvedev [et al.] // Progress in Materials Science. – 2014. – Vol. 60 – P. 72–129.

13. Kakinuma, K. Oxide-ion conductivity of (Ba1xLax)2In2O5+x system based on brownmillerite structure [Text] / K. Kakinuma [et al.] // Solid State Ionics. – 2001. – Vol. 140. – P 301–306.

14. Строева, А.Ю. Электропроводность и природа ионного переноса в системе La1-xSrxSc1-yMgyO3-α (0,01 ≤ x = y ≤ 0,20) в сухом и влажном воздухе [Текст] / А.Ю. Строева [и др.] // Электрохимия. – 2010. – Т. 46. – № 5. – С. 585–593.

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

16. Ярославцев, А.Б. Основные направления разработки и исследования твердых электролитов [Текст] / А.Б. Ярославцев // Успехи химии. – 2016. – Т. 85. – С.1255–1276.

17. Malavasi, L. Oxide-ion and proton conducting electrolyte materials for clean energy applications: structural and mechanistic features [Text] / L. Malavasi, C.A.J. Fisher, and M. S. Islam // Chemical Society Revue. – 2010. – Vol. 39. – Р. 4370–4387.

18. Ma, G. Enhanced proton conduction of BaZr0.9Y0.1O3 -δ by hybrid doping of ZnO and Na3PO4 [Text] / Ma G. [et al.] // Solid State Ionics. – 2015. – Vol. 281. – P. 6–11.

19. Schober, T. Composites of ceramic hightemperature proton conductors with inorganic compounds [Text] // T. Schober // Electrochemical and Solid-State Letters. – 2005. – Vol. 8 – No. 4. – Р. 199–200.

20. Шилкина, Л.А. Эффекты легирования титаната свинца щелочноземельными элементами [Текст] / Л.А. Шилкинаи [др.] // Физика твердого тела. – 2016. – Т. 58. – № 1. – С. 114–124.

21. Горелов, В.П. Ионная, протонная и кислородная проводимости в системе BaZr1 – xYхO3 – α (х = 0.02–0.15) во влажном воздухе [Текст] / В.П. Горелов, В.Б. Балакирева, А.В. Кузьмин // Электрохимия. – 2010. – Т. 46. – № 8 – C. 948–953.

22. Третьяков, Ю.Д. Твердофазные реакции. / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 360 с.

23. Буянова, Е.С. Импедансная спектроскопия электролитических материалов: уч. пособие [Текст] / Е.С. Буянова, Ю.В. Емельянова. – Екатерибург: УрГУ, 2008. – 70 с.

24. Kalinina, T.A. Phase diagrams of BaO-In2O3 system [Text] / T.A. Kalinina [et al.] // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 1983. – Vol. 28. – No. 2. – P. 269–262.

25. Trunov, V. K. The BaO-Nb2O5 system [Text] / V. K. Trunov, Yu. A. Velikodnyi and L. G. Makarevich // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 1979. – Vol. 24. – No. 5. – P. 737–739.

26. Shirsat, A.N., Ali M., Kaimal K.N.G., Bharadwaj S.R., Das D. Thermochemistry of La2О2CO3 decomposition [Text] / A.N. Shirsat [et al.] // Thermochimica Acta. – 2003. – Vol. 399. – Р. 167–170.

27. Ivanova, M. M. The constitution diagram of the La2O3–WO3 system [Text] / M.M. Ivanova, G.M. Balagina, and E.Ya. Rode // Inorganic Materials. – 1970. – Vol. 6. – No. 5. – P. 803–805.

28. Химическая энциклопедия / Под ред.: Кнунянц И.Л. [и др.]. – M.: Советская энциклопедия, 1988. – Т. 1. – 623 с.

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

30. Animitsa, I.Е. Proton and oxygen-ion conductivity of Ba4Ca2Nb2O11 [Text] / I.E. Animitsa [et al.] // Solid State Ionics. – 2003. – Vol. 162–163. – Р. 63–71.

31. Ivanova, M. E., Influence of the La6W2O15 Phase on the Properties and Integrity of La6-xWO12-δ– Based Membranes [Text] / M. E. Ivanova [et al.] // Chemistry and Materials Research. – 2012. – Vol. 2. – P. 56–83.

32. Савин, В.Д. Оксикарбонатные соединения редкоземельных металлов [Текст] / В.Д. Савин, Н.П. Михайлова, З.В. Еременко // Журнал неорганической химии. – 1987. – Т. 32 – № 11. – С. 2662–2666.


Для цитирования:


Корона Д.В., Партин Г.C., Анимица И.Е., Шарафутдинов А.Р. ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТОННЫХ ПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ Ba4Ca2Nb2O11 И La6WO12 К СО2. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2018;(10-12):43-59. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.10-12.043-059

For citation:


Korona D.V., Partin G.S., Animitsa I.Е., Sharafutdinov A.R. CHEMICAL CO2-RESISTIVITY OF PROTON CONDUCTORS ON BASE OF Ba4Ca2Nb2O11 AND La6WO12. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2018;(10-12):43-59. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.10-12.043-059

Просмотров: 147


ISSN 1608-8298 (Print)