Взаимодействие H2O, O2 И H2 с протонпроводящими оксидами на основе скандата лантана

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

термогравиметрия, ядерный магнитный резонанс, изотопный обмен водорода, скандат лантана-стронция, гидратация, окисление, гидрирование, протонпроводящие оксиды, водородная энергетика

1. 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.

2. Hübert, T. Hydrogen sensors – A review / T. Hübert [et al.] // Sensors and Actuators B. – 2011. – Vol. 157. – 329–352.

3. 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.

4. 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.

5. Norby, T. Solid-state protonic conductors: principles, properties, progress and prospects / T. Norby // Solid State Ionics. – 1999. – Vol. 12. – P. 51–11.

6. Kreuer, K.D. Proton-conducting oxides. / K.D. Kreuer // Annual Review of Materials Research. – 2003. – Vol. 33. – P. 333–359.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.