High temperature oxide electrolytes for electrochemical devices application

• Autorzy: Dudek M. , Rapacz-Kmita A. , Mosiałek M. , Mordarski G.

Warianty tytułu

PL

Wysokotemperaturowe elektrolity tlenkowe przeznaczone do wykorzystania w urządzeniach elektrochemicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A coprecipitation–calcination method was used to synthesise powders of 25 mol% Y2O3 in ZrO2 (25YSZ) or 12.5 mol% Y2O3 - 12.5 mol% Yb2O3 in ZrO2 (12.5Yb12.5YSZ) solid solutions. The pellets were cold isostatically pressed and then sintered for 2 h at 1500oC. The corrosion resistance of 25YSZ, 12.5Yb12.5YSZ solid solutions, and CaZrO3-based samples against molten metals, i.e., copper, nickel or iron, were also examined. Based upon this investigation, it is evident that stability of both zirconia with 25 mol% Y2O3 in solid solution and the calcium zirconate containing 48 % CaO material is limited in molten iron. Electrical conductivity measurements were performed by dc four probe and ac impedance spectroscopy methods in the temperature range of 200-1000oC. The highest value of ionic conductivity was found for the sintered samples of 12.5 mol% Y2O3 - 12.5 mol% Yb2O3 in ZrO2. These results indicate that partial substitution of Yb2O3 for Y2O3 in the 25YSZ solid solution leads to an increase of electrical conductivity compared to the solid solution of 25 mol%Y2O3 in ZrO2. It was also found that ionic oxide transference numbers (tion) of 25YSZ and 12.5Yb12.5YSZ solid solutions were close to 1, what indicated on pure oxide ionic conduction in the materials prepared. Test results are also reported for 25YSZ and 12.5Yb12.5YSZ applied as electrolytes in electrochemical oxygen gas sensors as well as in solid oxide cells, involving NiLa2O4 or NiAl2O4. In this way, the Gibbs free energy of formation of NiLa2O4 or NiAl2O4 in the temperature range 800-1000oC was determined. These materials seem to be promising solid oxide electrolytes for electrochemical oxygen probes, and solid oxide galvanic cells designed to study thermodynamic properties of materials important for SOFC technology and other areas of energy industry.

PL

Metodę współstrącania-kalcynacji wykorzystano do syntezy proszków roztworów stałych o składach 25 % mol. Y2O3 w ZrO2 (25YSZ) i 12.5 mol% Y2O3 - 12.5 mol% Yb2O3 w ZrO2 (12.5Yb12.5YSZ) Pastylki, które wcześniej sprasowano izostatycznie, spiekano w temperaturze 1500oC w czasie 2 h. Zbadano odporność korozyjną spieków roztworów stałych 25YSZ, 12.5Yb12.5YSZ, a także elektrolitów zawierających CaZrO3 w środowisku ciekłych metali, takich jak miedź, nikiel i żelazo. Na podstawie tych badań stwierdzono, że stabilność spieków roztworów stałych 25 mol% Y2O3 w ZrO2 (25YSZ) oraz CaZrO3 (48 % mol CaO) jest ograniczona w ciekłym żelazie. Przewodnictwo elektryczne otrzymanych próbek zmierzono metodą 4-elektrodową stałoprądową oraz metodą spektroskopii impedancyjnej w temperaturach 200-1000oC. Spiek roztworu stałego zawierającego 12.5 % mol. Y2O3 - 12.5 % mol. Yb2O3 w ZrO2, charakteryzuje się najwyższymi wartościami przewodnictwa jonowego. Wyniki tych badań wskazują, że częściowe podstawienie tlenku itru(III) tlenkiem iterbu(III) w roztworze stałym 25 % mol Y2O3 w ZrO2 prowadzi do podwyższenia jego przewodności elektrycznej. Wyznaczone wartości liczby przenoszenia jonów tlenkowych (tjon) dla spieków roztworów stałych 25YSZ i 12.5Yb12.5YSZ są bliskie jedności co wskazuje, że otrzymane materiały są praktycznie czystymi przewodnikami jonów tlenkowych. Materiały te przetestowano jako elektrolity tlenkowe do budowy elektrochemicznego sensora tlenu i ogniw galwanicznych przeznaczonych do badań właściwości termodynamicznych materiałów tlenkowych NiLa2O4 i NiAl2O4. W ten sposób wyznaczono wartości entalpii swobodnej ΔG dla tych materiałów w temperaturach 800-1000oC. Badane roztwory stałe 25 % mol Y2O3 w ZrO2 oraz 12.5 % mol Y2O3 - 12.5 % mol Yb2O3 w ZrO2 wydają się być obiecującymi elektrolitami tlenkowymi do budowy elektrochemicznego sensora tlenu oraz ogniw galwanicznych przeznaczonych do badania właściwości termodynamicznych materiałów tlenkowych ważnych dla technologii stałotlenkowych ogniw paliwowych i innych dziedzin energetyki.

Słowa kluczowe

EN

solid oxide electrolytes; Y2O3-Yb2O3-ZrO2 solid solutions; solid oxide galvanic cells

PL

elektrolity tlenkowe; roztwory stałe Y2O3-Yb2O3-ZrO2; ogniwa galwaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 500--505
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

autor

Rapacz-Kmita A.

autor

Mosiałek M.

autor

Mordarski G.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Energy and Fuels, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Fray D.J.: Solid State Ionics, 86-88, (1996), 1045-1054.
• 2. Chiang Y., Wagner C.C., Abkar S.A.: Sens. Act. B46, (1998), 208-212.
• 3. Etsell T., Flengas T.: J. Electrochem. Soc., 119, (1972), 1-7.
• 4. Pluschkell W.: Archiv. Eisenhuttenwesen, 46, (1975), 11-18.
• 5. Jacob K.T., Mathews T.: in High Conductivity Solid Ionic Conductors – Recent Trends and Applications, Takahashi T. (Ed.), World Scientific, Singapore, 1989.
• 6. Janke D.:Metall. Trans., 13B, (1982), 227-235.
• 7. Róg G., Dudek M., Kozłowska–Róg A., Bućko M.: Electrochim. Acta, 47, (2002), 4523-4529.
• 8. Dudek M., Drożdż-Cieśla E.: J. Alloys Compd., 475, (2009), 846-859.
• 9. Janke D., Fischer W.A.: Archiv. Eisenhuttenwesen, 45, (1975), 477-482.
• 10. Wang C., Xu X., Yu H., Wen Y., Zhao K.: Solid State Ionics, 28-30, (1988), 542-545.
• 11. Weyl A., Janke D.: J. Am. Ceram. Soc., 80, (1997), 861-731.
• 12. Dygas J.R., Breiter M.W.: Electrochim. Acta, 44, (1999), 4163-4174.
• 13. Kiukola K., Wagner K.: J. Electrochem. Soc., 104, (1957), 366-375.
• 14. Róg G., Kozłowska-Róg A., Dudek M.: J. Chem. Thermodynamics, 39, (2007), 275-278.
• 15. Sreedharan O.M., Chandrasekharai S.M., Karakhanavala M.D.: High Temp. Sci., 8, (1976), 179-183.
• 16. Dudek M.: Adv. Mater. Sci., 8, (2008), 15-30.
• 17. Tien T.Y.: J. Am. Ceram. Soc., 11, (1964), 430-433.
• 18. Subbarao E., Sutter P., Hrizo J.: J. Am. Ceram. Soc., 48, (1965), 443-446.
• 19. Knibbe R., Drennan J., Dicks A., Love J.: J. Power Sour., 179, (2008), 511-519.
• 20. Zhao H., Mauvy F., Lalanne C., Bassat J.M., Fourcade S., Grenier J.C.: Solid State Ionics, 179, (2008), 2000-2005.
• 21. Schmalzried H.: Z. Pys. Chem., 25, (1960), 178.
• 22. Tretjakov G.J., Schmalzried H.: Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 69, (1965), 396.