Some structural aspects of ionic conductivity in Co-doped ceria-based electrolytes

• Autorzy: Dudek M.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amm-2013-0174

Warianty tytułu

PL

Wybrane strukturalne aspekty przewodnictwa jonowego w roztworach stałych na bazie tlenku ceru domieszkowanego dwoma kationami

• Konferencja: Composites and Ceramic Materials - Technology, Application and Testing (13 ; 13-15.05.2013 ; Białowieża, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The sinters of co-doped ceria solid solutions with the formula of Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, where R = Y, Gd, Pr, Tb, 0<x<0.15, were obtained from powders synthesised by Pechini method. The linear variation of cell parameter a vs. chemical composition was observed for Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, where R = Y, Gd, Tb, 0 <x<0.15 samples. However, the introduction of Pr3+ into Ce0.85Sm0.15-x PrxO1.9 caused a small deviation from linearity due to possible changes in the valence from Pr³⁺ to Pr⁴⁺ . The determined values of oxide transference number t_ion for Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, R = Y, Gd in the temperature range 400-750°C and partial oxygen pressure from 10^-6 to 1 atm were close to 1, which indicated that materials investigated exhibited practically pure ionic oxide conductivity. On the other hand, the introduction of Tb³⁺ or Pr³⁺ higher than x>0.05 into solid solution Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, R = Tb, Pr caused a decrease in the ionic transference number t_ion below 1 due to an increase in partial electronic conduction. This fact limiting investigated co-doped terbia and samaria or samaria and praseodymia ceria-based solid solutions for the further application as oxide electrolytes in solid oxide fuel cells. The analysis of bulk and grain boundary values indicated that partial substitution of Sm³⁺ by Y³⁺ or Gd³⁺ caused slight improvements in the ionic conductivity of Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. The highest ionic conductivity was found for solid solution with chemical composition Ce_0.85Sm_0.1Y_0,05O_1.9. The selected co-doped ceria samples were tested as solid electrolytes in solid oxide fuel cells operating in the intermediate temperature range 500-750°C.

PL

Spieki roztworów stałych tlenku ceru (IV) domieszkowanego dwoma kationami Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9gdzie R = Y, Gd, Tb, Pr. zaś 0 <x<0,15 otrzymano z proszków syntezowanych metodą Pechiniego. Dla roztworów stałych Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. gdzie R = Y, Gd,Tb, zaś 0 <x<0.15 zaobserwowano liniowe zmiany stałej sieci a wraz ze zmianą składów chemicznych badanych próbek. Z kolei zastąpienie w roztworze stałym Ce_0.85Sm_0.15-xPr_xO_1.9kationów Sm³⁺ kationami Pr³⁺ powoduje już odstępstwa od liniowych zmian wielkości stałej sieci a badanych materiałów. Przyczyną tego zjawiska jest prawdopodobna zmiana stopnia utlenienia kationów Pr⁴⁺ na Pr³⁺ w badanym roztworze stałym. Wyznaczone wielkości liczb przenoszenia jonów tlenkowych t_ion dla grupy spieków roztworów stałych Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, gdzie R = Y, Gd, gdzie 0 <x <0,15 są bliskie 1. co wskazuje na praktycznie czysto jonowy mechanizm przewodnictwa elektrycznego. Z kolei dla spieków tlenku ceru (IV) domieszkowanego kationami samaru i terbu lub samaru i prazeodymu Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. R = Tb, Pr, gdzie x>0.05 stwierdzono spadek liczby przenoszenia jonów tlenkowych t_ion poniżej 1. Wzrost składowej przewodnictwa elektronowego w tych materiałach ogranicza ich potencjalne zastosowanie jako elektrolitów tlenkowych w stałotlenkowych ogniwach paliwowych. Spiek Ce_0.85Sm_0.1Y_0,05O_1.9 charakteryzuje się najwyższą przewodnością jonową z pośród badanych materiałów. Wybrane materiały na bazie tlenku ceru (IV) domieszkowanego dwoma kationami przetestowano jako elektrolity tlenkowe w stałotlenkowych ogniwach paliwowych pracujących w temperaturach 500-750°C.

Słowa kluczowe

EN

solid oxide fuel cells; ionic conductivity; co-doped ceria solid solutions; fluorite structure

PL

stałotlenkowe ogniwa paliwowe; przewodnictwo jonowe; domieszkowane roztwory stałe tlenku ceru; struktura fluorytu

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, iss. 4
• Strony: 1355--1359
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

• AGH-University of Science and Technology, Faculty of Fuels and Energy, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] J. W. Fergus, Electrolytes for solid oxide fuel cells, J. Power Sources 189, 30 (2006).
• [2] A. Pawłowski, M. M. Bućko, Z. Pędzich, Microstructure and properties of ion conductors in the Zr O2-Y2O3-Mg Osystem as an effect DIGMprocess, Archives of Metallurgy and Materials 44, 375 (1999).
• [3] J. Kim, H. K. Choi, Y. Chang, Ch. Jeon, Feasibility of using ash-free coal in solid oxide electrolyte direct carbon fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy 37, 11401 (2012).
• [4] N. Q. Minh, Ceramic fuel cell, Journal of the American Ceramic Society 73, 563 (1993).
• [5] J. P. P. Huijsmans, F. P. F.van Berkel, G. M. Christie, Intermediate temperature SOFC -apromising for 21 century, Journal of Power Sources 71, 107 (1998).
• [6] H. Inaba, H. Tagawa, Ceria-based electrolytes Solid State Ionics 83, 1 (1996).
• [7] J. Hu, Z. Lu, K. Chen, X. Huang, N. Ai, X. Du, Ch. Fu, J. Wang, W. Su, Effect of composite pore former on the fabrication and performance of anode-supported membranes for SOFCs, Journal of Membrane Science 318, 445 (2008).
• [8] B. C. H. Steele, Appriasal of Ce1-y Gdy O2-y/2 electrolytes for IT-SOFCoperation at 500°C, Solid State Ionics 129, 95 (2000).
• [9] J. Guor-Nin, Ta-Jen, H. Chung-Liang, Effect of temperature and dopant concentration on the conductivity of samaria-doped ceria electrolyte. Journal of Solid State Electrochemistry 6, 225 (2002).
• [10] S. Dikmen, Effect of co-doping with Sm3+, Bi3+, La3+ and Nd3+ on the electrochemical properties of hydrotermally prepared gadolinium doped ceria ceramics, Journal of Alloys and Compounds 491, 106 (2010).
• [11] N. Jaiswal, S. Upadhyay, D. Kumar, O. Parkash, Ionic conductivity investigation in lanthanum (La) and strontium (Sr) co-doped ceria system, Journal of Power Sources 222, 230 (2013).
• [12] M. Dudek, W. Bogusz, Ł. Zych, B. Trybalska, Electrical and mechanical properties of Ce O2-based electrolytes in the Ce O2-Sm2O3-M2O3 (M = La, Y) Solid State Ionics 179, 164 (2008).
• [13] R. Raza, H. Qin, L. Fan, K. Takeda, M. Mizuhata, B. Zhu, Electrochemical study on co-doped ceria-carbonate composite electrolyte, Journal of Power Sources 201, 221 (2012).
• [14] B. Li, Y. Liu, X. Wei, W. Pan, Electrical properties of co-doped Sm3+ and Nd3+, Journal of Power Sources 195, 969 (2010).
• [15] M. Dudek, Ceramic electrolytes in the Ce O2-Gd2O3-Sr O system, preparation, properties and application to solid oxide fuel cell., International Journal of Electrochemical Socience 4, 2879 (2012).
• [16] M. Dudek, A. Rapacz-Kmita, M. Mroczkowska, M. Mosiałek, G. Mordarski, Co-doped ceria-based solid solution in the Ce O2-M2O3-Ca O, M = Sm, Gd system, Electrochmica Acta 30, 4387 (2010).
• [17] P. Shuk, M. Greenblatt, Hydrothermal synthesis and properties of mixed conductors based on Ce1-x Prx O2-δ solid solutions, Solid State Ionics 116, 217 (1999).
• [18] W. Huang, P. Shuk, M. Greenblatt, Hydrothermal synthesis and properties of terbium- or praseodymium-doped Ce1-x Smx O2-x/2 solid solutions, Solid State Ionics 113-115, 305 (1998).