Влияние условий синтеза и консолидации нанопорошков на физико-химические свойства твердых растворов в системе (CeO2)1–X(Dy2O3)X в качестве электролитов среднетемпературных топливных элементов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Жидкофазными методами совместного осаждения гидроксидов и совместной кристаллизации азотнокислых солей синтезированы высокодисперсные порошки состава (СеO2)1–x(Dy2O3)x (х = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20). На их основе получена керамика, представляющая собой кубические твердые растворы типа флюорита с ОКР ~ 90 нм (1300 °С) с открытой пористостью в интервале 2–14% и кажущейся плотностью 6–7 г/см³. Исследовано влияние методов синтеза и спекающих добавок на физико-химические и электрофизические свойства керамики. Установлено, что полученная керамика обладает преимущественно ионным типом электропроводности (числа переноса ионов ti = 0.78–0.96 в интервале 300–700 °С). Электропроводность в твердых растворах осуществляется по вакансионному механизму и достигает значения σ700 °С = 0.43 · 10–2 См/см. По своим физико-химическим свойствам (плотность, открытая пористость, тип и механизм удельной электропроводности) полученные керамические материалы перспективны в качестве твердооксидных электролитов для среднетемпературных топливных элементов.

About the authors

M. V. Kalinina

National Research Center 'Kurchatov Institute' – PIK – IHS; N. S. Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry RAS

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
199155, Russia, St. Petersburg, embankment Makara, 2; 119991, Russia, Moscow, Leninsky Ave., 31

S. V. Myakin

St. Petersburg State Technological Institute (Technical University)

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
190013, Russia, St. Petersburg, Moskovsky Ave, 26

M. A. Teplonogova

N. S. Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry RAS

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
119991, Russia, Moscow, Leninsky Ave., 31

I. A. Drozdova

National Research Center 'Kurchatov Institute' – PIK – IHS

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
199155, Russia, St. Petersburg, embankment Makara, 2

N. V. Farafonov

National Research Center 'Kurchatov Institute' – PIK – IHS; St. Petersburg State Technological Institute (Technical University)

Email: svmjakin@technolog.edu.ru
199155, Russia, St. Petersburg, embankment Makara, 2; 190013, Russia, St. Petersburg, Moskovsky Ave, 26

N. R. Loktyushkin

National Research Center 'Kurchatov Institute' – PIK – IHS; St. Petersburg State Technological Institute (Technical University)

Author for correspondence.
Email: svmjakin@technolog.edu.ru
199155, Russia, St. Petersburg, embankment Makara, 2; 190013, Russia, St. Petersburg, Moskovsky Ave, 26

References

  1. Maric R., Mirshekari G. Solid Oxide Fuel Cells. From Fundamental Principles to Complete Systems, CRC Press, 2021. 256 p.
  2. Ponomareva A.A., Ivanova A.G., Shilova O.A., Kruchinina I.Yu. Current state and prospects of manufacturing and operation of methane-based fuel cells (review) // Glass Physics and Chemistry. 2016. V. 42. № 1. P. 1–19.
  3. Ponomareva A., Babushok V., Simonenko E., Simonenko N., Sevast’janov V., Shilova O., Kruchinina I. Influence of pH of solution on phase composition of samariumstrontium cobaltite powders synthesized by wet chemical technique // Sol-Gel Sci. Technol. 2018. V. 87, № 1. P. 74–82.
  4. Galushko A.S., Panova G.G., Ivanova A.G., Masalovich M.S., Zagrebelnyy O.A., Kruchinina I.Yu., Shilova O.A. An overview of the functional ceramic and composite materials for microbiological fuel cells // J. Ceram. Sci. Technol. 2017. V. 8. № 4. Р. 433–454.
  5. Pachauri Y.K., Chauhan R.P. A study, analysis and power management schemes for fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 43. P. 1301–1319.
  6. Rekas M. Electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells // Archives of Metallurgy and Materials. 2015. V. 60. P. 891–896.
  7. Mahato N., Banerjee A., Gupta A., Omar S., Balani K. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review // Progr. Mater. Sci. 2015. V. 72. P. 141–337.
  8. Sal`nikov V.V., Pikalova E.Y. Raman and impedance spectroscopic studies of the specific features of the transport properties of electrolytes based on CeO2 // Phys. Solid State. 2015. V. 57. P. 1944–1952.
  9. Kalinina M.V., Dyuskina D.A., Arsent’ev M.Y., Mjakin S.V., Shilova O.A. Synthesis and characterization of ceria- and samaria-based powders and solid electrolytes as promising components of solid oxide fuel cells // Ceramics. 2022. № 5. P. 1102–1114.
  10. Ramos-Alvarez P., Villafuerte-Castrejón M.E., González G., Cassir M., Flores-Morales C., Chávez-Carvayar J.A. Ceria-based electrolytes with high surface area and improved conductivity for intermediate temperature solid oxide fuel cells // J. Mater. Sci. 2017. V. 52. № 1. P. 519–532.
  11. Egorova T.L., Kalinina M.V., Simonenko E.P., Simonenko N.P., Shilova O.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Liquid-phase synthesis and physicochemical properties of xerogels, nanopowders and thin films of the CeO2–Y2O3 system // Russian J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. № 9. P. 1061–1069.
  12. Кузнецова Т.Г., Садыков В.А. Особенности дефектной структуры метастабильных нанодисперсных диоксидов церия и циркония и материалов на их основе // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. № 6. С. 886–905.
  13. Jud E., Gauckler L.-J. The effect of cobalt oxide addition on the conductivity of Ce0.9Gd0.1O1.95 // J. Electroceram. 2005. V. 15. P. 159–166.
  14. Tian C., Chan S.-W. Ionic conductivities, sintering temperatures and microstructures of bulk ceramic CeO2 doped with Y2O3 // Solid State Ionics. 2000. V. 134. P. 89–102.
  15. Moghadasi M., Du W., Li M., Pei Z.J. Ceramic binder jetting additive manufacturing: Effects of particle size on feedstock powder and final part properties // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 10. P. 16966–16972.
  16. Fathy A., Wagih A., Abu-Oqail A. Effect of ZrO2 content on properties of Cu-ZrO2 nanocomposites synthesized by optimized high energy ball milling // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 2. P. 2319–2329.
  17. Li Z., He Q., Xia L., Xu Q. Effects of cathode thickness and microstructural properties on the performance of protonic ceramic fuel cell (PCFC): A 3D modelling study // Intern. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 6, P. 4047–4061.
  18. Хасанов О.Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий. Изд-во Томского политехнического университета. 2008. 212 с.
  19. Shilova O.A., Antipov V.N., Tikhonov P.A., Kruchinina I.Y., Panova T.I., Morozova L.V., Moskovskaya V.V., Kalinina M.V., Tsvetkova I.N. Ceramic nanocomposites based on oxides of transition metals of ionistors // Glass Physics and Chemistry. 2013. V. 39. № 5. P. 570–578.
  20. Rempel A.A., Gusev A.I. // Nanocrystalline Materials. Cambridge International Science Publishing, 2004, 351 p.
  21. Duran P., Villegas M., Capel F., Recio P. Low temperature sintering and microstructural development of nanocrystalline Y-TZP ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 1996. V. 16. P. 945–952.
  22. Межгосударственный стандарт ГОСТ 473.4-81. Изделия химически стойкие и термостойкие керамические. Метод определения кажущейся плотности и кажущейся пористости: утв. постановлением Госстандарта СССР от 22 июня 1981 г. № 3036.
  23. Нечипоренко А.П. Донорно-акцепторные свойства поверхности твердофазных систем. Индикаторный метод. СПб: Лань, 2017. 284 с.
  24. Pivovarova A.P., Strakhov V.I., Popov V.P. On the mechanism of electron conductivity in lanthanum metaniobate // Tech. Phys. Letters. 2002. V. 28. P. 815–817.
  25. Лягаева Ю.Г., Медведев Д.А., Демин А.К., Ярославцева Т.В., Плаксин С.В., Поротникова Н.М. Особенности получения плотной керамики на основе цирконата бария // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 10. С. 1388–1393.
  26. Галлямов А.Н., Казанцев А.Л., Сковородников П.В., Пойлов В.З. Обзор современных функциональных материалов, используемых в твердооксидных топливных элементах, работающих на водородном топливе // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2022. № 4. С. 38–62.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».