Struktura, spiekalność i właściwości transportowe protonowo przewodzących ceramik Ba1-xLnx(Zr,In,Sn)O3-δ (Ln: wybrane lantanowce)

• Autorzy: Skubida W. , Olszewska A. , Niemczyk A. , Cichy K. , Zientara D. , Świerczek K.

Warianty tytułu

EN

Structure, sinterability and transport properties of Ba1-xLnx(Zr,In,Sn)O3-δ (Ln: selected lanthanides) proton-conducting ceramics

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejsza praca przedstawia analizę wybranych właściwości fizykochemicznych niestechiometrycznych tlenków perowskitowych z grupy Ba1-xLnx(Zr,In,Sn)O3-δ (gdzie Ln: La, Pr, Gd), wykazujących w nawilżonej atmosferze w temperaturach rzędu 400 °C i więcej przewodnictwo protonowe. Dokonano doboru składu chemicznego materiałów z rozważanej grupy, uwzględniając wartość współczynnika tolerancji Goldschmidta t, oczekiwaną wielkość niestechiometrii w podsieci tlenu δ oraz różnicę elektroujemności pomiędzy pierwiastkami obsadzającymi podsieci kationowe A i B w ABO3-δ. Wyniki pomiarów materiałów jednofazowych wykonane metodą rentgenografii strukturalnej z analizą Rietvelda pozwoliły w szczególności na określenie korelacji pomiędzy składem chemicznym, temperaturą wygrzewania i strukturą krystaliczną oraz rozmiarem krystalitów. Ponadto określono wpływ temperatury kalcynacji i dodatku In2O3 lub lepiszcza organicznego na spiekalność Ba1-xLnx(Zr,In,Sn)O3-δ. Pomiary właściwości transportowych wybranych materiałów, wykonane w różnych atmosferach, tj. powietrza suchego i powietrza nawilżanego 3% obj. H2O lub D2O, umożliwiły wyznaczenie składowej protonowej przewodnictwa elektrycznego. Uzyskane wyniki wskazują na potencjalną możliwość zastosowania rozważanych związków jako elektrolitów lub materiałów elektrodowych w przewodzących protonowo ogniwach typu SOFC lub elektrolizerach SOEC.

EN

This paper presents analysis of selected physicochemical properties of non-stechiometric perovskite-type oxides from the Ba1-xLnx(Zr,In,Sn)O3-δ group (where Ln: La, Pr, Gd) that in a humidified atmosphere at high temperatures around 400 °C and more show proton conductivity. Selection of chemical composition in the considered group was done by taking into account the calculated Goldschmidt’s tolerance factor, the expected oxygen non-stoichiometry and the difference of the electronegativity between the B- and A-site cations in ABO3-δ. In particular, the obtained results for single-phase materials using X-ray diffraction with Rietveld analysis made it possible to determine the correlation between the chemical composition, annealing temperature, crystalline structure and the grain size in the considered group of oxides. Moreover, the influence of calcination temperature and addition of In2O3 or organic binder on sinterability of the samples was determined. Transport properties measurements of selected materials, which were carried out in different atmospheres (i.e. dry air, wet air with 3 vol.% H2O or D2O) allowed us to determine proton component of the conductivity. The obtained results indicate a potential application of the studied compounds as electrolytes or electrode materials in proton-conducting solid oxide fuel cells (SOFC) or electrolysers (SOEC).

Słowa kluczowe

PL

struktura krystaliczna; perowskity; przewodnictwo protonowe; spiekalność

EN

crystal structure; perowskites; protonic conductivity; sinterability

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 1
• Strony: 18--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Skubida W.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Olszewska A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Niemczyk A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Cichy K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Zientara D.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Świerczek K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• 1. Iwahara, H., Asakurab, Y., Katahira, K., Tanaka, M.: Solid State Ionics, 168, (2004), 299.
• 2. Katahira, K., Kohchi, Y., Shimura, T., Iwahara, H., Solid State Ionics, 138, (2000), 91.
• 3. Sakai, T., Isa, K., Matsuka, M., Kozai, T., Okuyama, Y., Ishihara, T., Matsumoto, H.: Int. J. Hydrogen Energy XXX, (2013), 6842.
• 4. Norby, T.: Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells, Fuel Cells and Hydrogen Energy, roz. 11, red. T. Ishihara, Springer Science Business Media, (2009), 217.
• 5. Strandbakke, R., Cherepanov, V. A., Zuev, A. Y., Tsvetkov, D. S., Argirusis, C., Sourkouni, G., Prünte, S., Norby, T., Solid State Ionics, 278, (2015), 120.
• 6. Iwahara, H., Esaka, T., Uchida, H., Maeda, N., Solid State Ionics, 3/4, (1981), 359.
• 7. Iwahara, H., Uchida, H., Ono, K., Ogaki, K., J. Electrochem. Soc., 135, (1988), 529.
• 8. Kreuer, K. D.: Annu. Rev. Mater. Res., 33, (2003), 333.
• 9. Haugsrud, R., Norby, T.: Nat. Materials, 5, (2006), 193.
• 10. Xie, K., Yan, R., Liu, X.: Electrochem. Commun., 11, (2009), 1618.
• 11. Wang, Y., Chesnaud, A., Bevillon, E., Yang, J., Dezanneau, G.: Int. J. Hydrogen Energy, 36. (2011), 7688.
• 12. Fabbri, E., Pergolesi, D., Traversa, E.: Chem. Soc. Rev., 39, (2010), 4355.
• 13. Wang, Y., Su, T., Liu, W., Chang, Q., Giao, G.: Ceram. Int., 41, (2015), 6863.
• 14. Norby, T., Widerøe, M., Glöckner, R., Larring, Y.: Dalton Trans., (2004), 3012.
• 15. Larson, A. C., Von Dreele, R. B.: Los Alamos Natl. Lab. Rep. - LAUR 86, (2004), 748.
• 16. Toby, B. H.: J. Appl. Cryst., 34, (2001), 210.
• 17. Pena, M. A., Fierro, J. L. G.: Chem. Rev., 101, (2001), 1981.
• 18. Mogensen, M.,Lybye, D., Bonanos, N., Hendriksen, P. V., Poulsen, F. W.; Solid State Ionics, 174, (2004), 279.
• 19. Zając, W., Rusinek, D., Zheng, K., Molenda, J.: Cent. Eur. J. Chem., 11, ( 2013), 471.
• 20. Colomban P. (Ed.): Proton Conductors, Cambridge University Press, 1992.
• 21. Nowick, A. S., Vaysleyb, A. V.: Solid State Ionics, 97, (1997), 17-26.
• 22. Lavareda, G., Nunes de Carvalho, C., Fortunato, E., Ramos, A. R., Alves, E., Conde, O., Amaral, A.: J. Non-Cryst. Solids, 352, (2006), 2311.
• 23. Colomban, P., Slodczyk, A., Lamago, D., Andre, G., Zaafrani, O., Lacroix, O., Willemin, S., Sala, B.: J. Phys. Soc. Jpn., 79, (2010), Suppl. A 1-6.
• 24. Świerczek, K., Zając, W., Klimkowicz, A., Zheng, K., Malikova, N., Dabrowski, B.: Solid State Ionics 275, (2015), 58.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).