Tetragonalny dwutlenek cyrkonu w układzie 3Y-TZP/Al2O3 jako elektrolit stały dla średniotemperaturowych ogniw paliwowych typu IT-SOFC

• Autorzy: Obal, K. , Brylewski, T. , Adamczyk, A. , Pędzich, Z. , Rękas, M.

Warianty tytułu

EN

Tetragonal zirconia in the 3Y-TZP/Al2O3 system as a solid electrolyte for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejsza praca obejmuje otrzymywanie oraz badania właściwości fizykochemicznych tetragonalnego dwutlenku cyrkonu w układzie 3Y-TZP/Al2O3 jako elektrolitu stałego do średniotemperaturowych ogniw paliwowych typu IT-SOFC. Syntezę proszku roztworu stałego Y2O3-ZrO2 zawierającego 3% mol. Y2O3 (3-YSZ), o strukturze tetragonalnej, przeprowadzono metodą współstrącania-kalcynacji. W wyniku: impregnacji proszku 3-YSZ roztworem azotanu glinu, zagęszczania, a następnie spiekania w 1773 K przez 2 godz. w powietrzu uzyskano serię tetragonalnych odmian dwutlenku cyrkonu zawierających 0,35%, 0,5% i 0,75% mol. Al2O3. Charakterystykę fizykochemiczną gęstych polikrystalicznych spieków przeprowadzono przy pomocy metod XRD, SEM-EDS i EIS. W wyniku zmian strukturalnych i mikrostrukturalnych wywołanych zastąpieniem jednofazowego materiału 3Y-TZP układem 3Y-TZP/Al2O3, zawierającym oprócz fazy tetragonalnej niewielką ilość fazy jednoskośnej, uzyskano istotną poprawę przewodnictwa elektrycznego po granicach ziaren w temperaturach poniżej 873 K przy nieznacznym pogorszeniu przewodnictwa wnętrza ziaren.

EN

The presented work describes a procedure used to obtain tetragonal zirconia in the 3Y-TZP/Al2O3 system and a study of its physicochemical properties, focusing on its potential application as a solid electrolyte in the intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). A 3-YSZ powder was obtained from the Y2O3-ZrO2 solid solution of the tetragonal structure containing 3 mol.% Y2O3 by means of the co-precipitation-calcination method. After impregnation of the powder with an aluminum nitrite solution followed by pressing and 2 h sintering at 1773 K in air, a number of 3Y-TZP/Al2O3 materials were obtained, containing 0.35 mol.%, 0.5 mol.% and 0.75 mol.% Al2O3. Physicochemical properties of these polycrystalline materials were investigated using XRD, SEM-EDS, and EIS. As a result of structural and microstructural changes induced by replacing the single-phase 3Y-TZP material with the 3Y-TZP/Al2O3 system containing a small contribution of the monoclinic phase in addition to the tetragonal phase, a significant improvement in the electrical conductivity across grain boundaries was observed at temperatures below 873 K, with an associated slight decrease in the conductivity of the grain interior.

Słowa kluczowe

PL

IT-SOFC; 3-YSZ; TZP; elektrolit stały; elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

EN

IT-SOFC; 3-YSZ; TZP; solid electrolyte; electrochemical impedance spectroscopy

• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 67, nr 1
• Strony: 27--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Obal, K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

autor

Brylewski, T.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

autor

Adamczyk, A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pędzich, Z.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rękas, M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Lee, D. S., Kim, W. S., Choi, S. H., Kim, J., Lee, H. W., Lee, J. H.: Characterization of ZrO2 co-doped with Sc2O3 and CeO2 electrolyte for the application of intermediate temperature SOFCs, Solid State Ionics, 176, (2005), 33-39.
• [2] Gödickemeier, M., Sasaki, K., Gauckler, L. J., Riess, I.: Electrochemical characteristics of cathodes in solid oxide fuel cells based on ceria electrolytes, J. Electrochem. Soc., 144, (1997), 1635-1646.
• [3] Mogensen, M., Sammes, N. M., Tompsett, G. A.: Physical, chemical and electrochemical properties of pure and doped Ceria, Solid State Ionics, 129, (2000), 63-94.
• [4] Steele, B. C. H.: Materials for IT-SOFC Stacks 35 years R&D: the Inevitability of Gradualness, Solid State Ionics, 134, (2000), 3-20.
• [5] Badwal, S. P. S., Dernnan, J.: Grain boundary resistivity in Y-TZP materials as a function of thermal history, J. Mater. Sci., 24, (1989), 88-96.
• [6] Rühle, M., Claussen, N., Heuer, A. H.: Microstructural studies of Y2O3 containing tetragonal ZrO2 polycrystals (Y-TZP), Sci. Technol. Zirconia II, Adv. Ceram., 12, (1984), 352-370.
• [7] Tanaka, J., Baumard, J. F., Abelard, P.: Nonlinear electrical properties of grain boundaries in an oxygen-ion conductor (CeO2∙Y2O3), J. Am. Ceram. Soc., 70, (1987), 637-643.
• [8] Butler, E. P., Drennan, J.: Microstructural analysis of sintered high-conductivity zirconia with Al2O3 additions, J. Am. Ceram. Soc., 65, (1982), 474-478.
• [9] Martin, M. C., Mecartney, M. L.: Grain Boundary Ionic Conductivity of Yttria Stabilized Zirconia as a Function of Silica Content and Grain Size, Solid State Ionics, 161, (2003), 67-79.
• [10] Miyayama, M., Yanagida, H., Asada, A.: Effects of Al2O3 additions on resistivity and microstructure of yttria-stabilized zirconia, Am. Ceram. Soc. Bull., 64, (1985), 660-664.
• [11] Guo, X.: Defect structure modification in zirconia by alumina, Phys. Status Solidi (A), 183, (2001), 261-271.
• [12] Guo, X., Zhang, Z.: Grain size dependent grain boundary defekt structure: case of doped zirconia, Acta Mater., 51, (2003), 2539-2547.
• [13] Butler, E. P., Slotwinski, R. K., Bonanos, N., Drennan, J., Steele, B. C. H.: Microstructural-Electrical Property Relationships in High-Conductivity Zirconia, in Claussen, N., Ruhle, M., Heuer, A. H. (eds), Science and Technology of Zirconia II, Advances in Ceramics, Vol. 12. The American Ceramic Society, Columbus, OH, USA, (1984), 572-584.
• [14] Guo, X., Waser, R.: Electrical properties of the grain boundaries of oxygen ion conductors: Acceptor-doped zirconia and Ceria, Prog. Mater. Sci., 51, (2006), 151-210.
• [15] Drożdż-Cieśla E., Wyrwa J., Pyda W., Rękas M.: A new method of preparing Ni/YSZ cermet materials, J. Mater. Sci., 47, (2012), 2807-2817.
• [16] Azaroff, L. V.: Elements of X-Ray Crystallography, McGraw-Hill, New York, (1995).
• [17] Rocha, R. A., Muccillo, E. N. S., Dessemond, L., Djurado, E.: „Thermal ageing of nanostructured tetragonal zirconia ceramics: Characterization of interfaces, J. Eur. Ceram. Soc., 30, (2010), 227-231.
• [18] Kim D-J., Jung H-J., Jung J-W., Lee H-L.: Fracture toughness, ionic conductivity and low-temperature phase stability of tetragonal zirconia codoped with yttria and niobium oxide, J. Am. Ceram. Soc., 81, (1998), 2309-2314.
• [19] Watanabe, M., Iio, S., Fukurara, I.: Ageing behavior of Y-TZP, in Claussen, N., Rühle, M., Heuer, A. H. (eds), Science and Technology of Zirconia II, Advances in Ceramics, Vol. 12. The American Ceramic Society, Columbus, OH, USA, (1984), 391–398.
• [20] Steele, B. C. H.: Oxygen Ion conductors, in High conductivity solid Ionic conductors, Takahashi T. (ed.), World Scientific Singapore, (1989).
• [21] Bauerle, J. E.: Study of solid electrolyte polarisation by a complex admittance method, J. Phys. Chem. Solids, 30, (1969), 2657-2670.
• [22] Bućko, M.: Modyfikacja właściwości dwutlenku cyrkonu jako elektrolitu stałego, Ceramika/Ceramics, Wyd. Naukowe „Akapit”, Kraków, (2007).
• [23] Bogusz, W., Krok, F.: Elektrolity stałe - właściwości elektryczne i sposoby ich pomiaru, WNT, Warszawa (1995).
• [24] Feighery A.J., Irvine J.T.S.: Effect of alumina additions upon electrical properties of 8 mol.% yttria-stabilized zirconia, Solid State Ionics, 121, (1999), 209-216.
• [25] Verkerk M.J., Winnubst A.J.A., Burggraaf A.J.: Effect of impurities on sintering and conductivity of yttria-stabilized zirconia, J. Mater. Sci., 17, (1982), 3113-3122.