Elektrolity stałe w układzie CeO2-Sm2O3-Nd2O3

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

Warianty tytułu

EN

Ceramic electrolytes in the CeO2-Sm2O3-Nd2O3 system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednofazowe proszki roztworów stałych w układzie CeO2-Sm2O3-Nd2O3 syntezowano metodą Pechiniego. Metodą dyfrakcji rentgenowskiej określono wielkości krystalitów d(hkl). Na podstawie tych pomiarów stwierdzono, że wielkości cząstek d(hkl) tych proszków wynoszą od ok. 17 do ok. 21 nm. Budowę morfologiczną otrzymanych proszków obserwowano pod transmisyjnym mikroskopem elektronowym. Wypraski sporządzone z otrzymanych proszków na bazie CeO2 zagęszczają się w temperaturze 1500 stopni Celsjusza na poziomie 95-97% gęstości względnej. Obserwacji mikrostruktury dokonano pod skaningowym mikroskopem elektronowym. Zastosowanie metody spektroskopii impedancyjnej pozwoliło na określenie zmian wielkości przewodności jonowej spieków roztworów stałych Ce0.8Sm0.2-xNdxO2. Na podstawie wykonanych pomiarów stwierdzono, że stopniowa zamiana kationów Sm (sup)3+ kationami Nd (sup)3+ w roztworze stałym Ce0.8Sm0.2-xNdxO2 prowadzi do poprawy przewodności jonowej w porównaniu do spieków Ce0.8M0.2O2, M = Sm, Gd. Materiał Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2 wydaje się bardziej predysponowanym elektrolitem tlenkowym do pracy w stałotlenkowych ogniwach paliwowych o obniżonej temperaturze pracy (600-800 stopni Celsjusza).

EN

Monophase nanopowders of solid solutions in the CeO2-Sm2O3-Nd2O3 system were synthesized by the Pechini method. The X-ray diffraction method was used to determine the particle size d(hkl). Based upon this investigation, it was found that the size of crystallites ranges from 17 to 21 nm. The observation of morphology of obtained powders was performed by means of a transmission electron microscopy. The green bodies obtained from CeO2-based powders thicken to 95-97% of their relative density at 1500 degrees centigrade. Scanning electron microscopy was used to observe the microstructure of the CeO2-based samples. The changes of ionic conductivity in sintered samples of Ce0.8Sm0.2- xNdxO2 solid solutions were determined by employing AC impedance spectroscopy. Ionic conductivity measurements proved that gradual substitution of Sm (sup)3+ cations with Nd (sup)3+ with cations had led to improvement of ionic conductivity in comparison with Ce0.8M0.2O2, M = Sm, Gd sinters. Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2 material seems to be more adequate for the role of a solid oxide electrolyte for application in solid oxide fuel cells (SOFC) operating in lowered working temperatures (600-800 degrees centigrade).

Słowa kluczowe

PL

elektrolit stały; przewodnictwo jonowe; roztwory stałe CeO2-Sm2O3-Nd2O3; stałotlenkowe ogniwo paliwowe

EN

solid electrolyte; ionic conduction; solid solutions CeO2-Sm2O3-Nd2O3; solid oxide electrolyte

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych
• Czasopismo: Szkło i Ceramika
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 62, nr 2
• Strony: 38--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

autor

Rapacz-Kmita A.

autor

Mroczkowska M.

autor

Mosiałek M.

autor

Mordarski G.

autor

Dudek P.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Kraków,

Bibliografia

• [1] Advances in Ceramics, Science and Technology of Zirconia, tom 1-5, 1982-1993.
• [2] Chandra S.: Superionic Solids, Amsterdam, New York, Oxford, North-Holand 1981.
• [3] Kharton V., Figueiredo F.M.: et all, Ceria-based materials for solid oxide fuel cells, Journal of Materials Science 36 (2001) 1105-1107.
• [4] Huang W., Shuk P., Greenblatt M.: Hydrothermal synthesis and properties of terbium or praseodymium - doped Ce1-xSmxO2 solid solutions, Solid State Ionics 113-115 (1998) 305-310.
• [5] Peng C., Wang Y., Jiang K., Bin B., Liang H., Feng J., Meng J.: Study on the structure change and oxygen vacantion shift for Ce1-xSmxO2 solid solution, Journal of Alloys and Compounds 349 (3) 2003, 273-278.
• [6] Zha S., Xia Ch., Meng G.: Effect of Gd (Sm) doping on properties of ceria electrolyte for solid oxide fuel cells, Journal of Power Sources 115 (2003) 44-18.
• [7] Badwal S.PS., Foger K.: Solid oxide fuel cell, Review, Ceramic International 22 (1986) 257-265.
• [8] Minh N.Q.: Ceramic Fuel Cell, Journal of the American Ceramic Society 76 (1993) 563-588.
• [9] Khartom V., Fiqueiredo F.M.: at all Ceria-based materials for solid oxide fuel cells, Journal of Materials Science 36 (2001) 1105-1107.
• [10] Huang W., Shuk P., Greenblatt M.: Hydrothermal synthesis and properties of terbium or praseodymium - doped Ce1-xSmxO2 solid solutions, Solid State Ionic 113-115 (1998) 305-310.
• [11] Omar S., Wachsman E., Nino J.: A co-doping approach towards enhanced ionic conductivity in fluorite -based electrolytes, Solid State Ionics 177 (2006) 3199-3203.
• [12] Ramesh S., Prashanth-Kumar V., Kistaih P., Reddy C.: Preparation, characterization and thermoelectrical properties of co-doped Ce0.8-xSm0.2CaxO2-δ materials, Solid State Ionics, 181 (2010) 86-91.
• [13] Herle J.V., Senevirante D., Mcevoy A.J.: Lanthanide co-doping of solid electrolytes: Ac. Conductivity behaviour, Journal of the European Ceramic Society 19 (1999) 837-841.
• [14] Dudek M., Bogusz W., Zych Ł., Trybalska B.: Electrical and mechanical properties of CeO2-Sm2O3-M2O3, M = Y, La, Solid State Ionics 179 (1) 2008, 164-167.
• [15] Wang F.Y., Chen S., Wang Q., Yu S., Cheng S.: Sudy on Gd and Mg co-doped ceria electrolyte for intermediate temperature fuel cell, Catalysis Today 97 (2004) 189-194.
• [16] Huang W., Shuk P., Greenblatt M.: Hydrothermal analysis and properties of terbium or praseodymium -doped Ce1-xSmxO2, Solid State Ionics 113-115 (1998) 305-310.
• [17] Wang F.Y., Chen S., Cheng S.: Gd3+ and Sm3+ co-doped ceria - based electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells, Electrochemistry Communications 6 (2004) 743-746.
• [18] Kharton V., Viskup A.P., Figueiredo F.M., Namuovich E.N., Shaulo A.L., Marques F.M.B.: Electrochemical properties of Pr-doped Ce(Gd)O2-δ, Materials Letters 53 (2002) 160-164.
• [19] Dudek M., Rapacz-Kmita A., Mroczkowska M., Mosiałek M., Mordarski G.: Co-doped ceria - based solid solutions in the CeO2-M2O3-Ca0, M = Sm, Gd system, Electrochimica Acta 55 (2010) 4387-4394.
• [20] Dygas J.R., Breiter M.W.: Measurements of large impedances in a wide temperature and frequency range, Electrochimica Acta 41 (1996) 993-1001.
• [21] Niihara K.: A fracture mechanism analysis of of indentation induced Palmquist crack in ceramics, Journal of Materials Science Letters 2 (1983) 221-223.