RU2794192C1 - Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate - Google Patents
Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794192C1 RU2794192C1 RU2023100462A RU2023100462A RU2794192C1 RU 2794192 C1 RU2794192 C1 RU 2794192C1 RU 2023100462 A RU2023100462 A RU 2023100462A RU 2023100462 A RU2023100462 A RU 2023100462A RU 2794192 C1 RU2794192 C1 RU 2794192C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- proton conductivity
- solid oxide
- barium
- indate
- neodymium
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-неодима (BaNd2In2O7), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.The invention relates to the production of materials for electrochemical devices, namely, to solid oxide electrolyte materials with proton conductivity based on barium-neodymium indate (BaNd 2 In 2 O 7 ), which can be used as an electrolyte material in proton-conducting solid oxide fuel cells used for receiving electricity.
Большинство известных материалов, характеризующихся протонной проводимостью в сочетании с низкой химической устойчивостью, обладают структурой перовскита или производной от нее. К таким материалам относится, например, материал протонпроводящего электролита на основе BaCeO3 [Ryu K.H., Haile S.M. Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO3-BaZrO3 solid solutions // Solid State Ionics. - 1999. V. 125, P. 355-367. https://doi.org/ 10.1016/S0167-2738(99)00196]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к углекислому газу, что снижает его эффективность при работе в топливных элементах.Most of the known materials, characterized by proton conductivity combined with low chemical resistance, have a perovskite structure or a derivative of it. Such materials include, for example, a proton-conducting electrolyte material based on BaCeO 3 [Ryu KH, Haile SM Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO 3 -BaZrO 3 solid solutions // Solid State Ionics. - 1999. V. 125, P. 355-367. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(99)00196]. This material has a low chemical resistance to carbon dioxide, which reduces its effectiveness when working in fuel cells.
В качестве новых перспективных протонных проводников можно рассматривать химические соединения со структурой, отличной от структуры перовскита. В качестве таковых известен индат бария-неодима, характеризующийся блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Этот материал представляет собой протонный проводник при температуре ниже 450 oC и влажности атмосферы pH2O = 2⋅10−2 атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 450°C составляют 1.8⋅10−5 Ом−1⋅см−1.Chemical compounds with a structure different from that of perovskite can be considered as promising new proton conductors. As such, barium-neodymium indate is known, characterized by a block-layer structure of Ruddlesden-Popper. This material is a proton conductor at temperatures below 450 o C and atmospheric humidity p H 2 O = 2⋅10 −2 atm, however, the values of proton conductivity for it are relatively low and at 450°C are 1.8⋅10 −5 Ω −1 ⋅ cm −1 .
Задача настоящего изобретения состоит в повышении протонной проводимости материала на основе индата бария-неодима, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.The object of the present invention is to increase the proton conductivity of a neodymium barium indate material that can be used as an electrolyte in a solid oxide fuel cell.
Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-неодима, представляющий собой индат бария-неодима, допированный барием, имеющий состав: Ba1.1Nd1.9In2O6.95.For this, a solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-neodymium indate is proposed, which is a barium-neodymium indate doped with barium, having the composition: Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 .
При введении катионов бария в подрешетке неодима образуются вакансии кислорода, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости.With the introduction of barium cations, oxygen vacancies are formed in the neodymium sublattice, as a result of which the values of oxygen-ion and proton conductivity increase.
Полученный индат бария-неодима, допированный барием характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 450 oC и pH2O = 2⋅10−2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.The resulting barium-neodymium indate doped with barium is characterized by high values of proton conductivity with dominance of proton transport at T < 450 o C and p H 2 O = 2⋅10 −2 atm, which are necessary conditions for using the material as an electrolyte of a proton-conducting fuel cell.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-неодима, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T < 450 oC и pH2O = 2⋅10−2 атм.A new technical result achieved by the claimed invention is to create a material based on barium-neodymium indate, characterized by high values of proton conductivity at T < 450 o C and p H 2 O = 2⋅10 −2 atm.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 показана дифрактограмма образца материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95; на фиг. 2 и 3 - температурные зависимости электропроводности образца материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95 в сравнении с материалом BaNd2In2O7 в сухой (pH2O = 3.5⋅10−5 атм) и влажной (pH2O = 2⋅10−2 атм) атмосферах соответственно. На фиг. 4 - температурные зависимости протонной проводимости образца материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95 в сравнении с материалом BaNd2In2O7.The invention is illustrated in the drawings, where in Fig. 1 shows the diffraction pattern of a sample of the material Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 ; in fig. 2 and 3 - temperature dependences of the electrical conductivity of the Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 material sample in comparison with the BaNd 2 In 2 O 7 material in dry ( p H 2 O = 3.5⋅10 −5 atm) and wet ( p H 2 O = 2⋅10 −2 atm) atmospheres, respectively. In FIG. 4 - temperature dependences of the proton conductivity of the sample of the material Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 in comparison with the material BaNd 2 In 2 O 7 .
Материал Ba1.1Nd1.9In2O6.95 получен методом твердофазного синтеза, известным из [Caldes M., Michel C., Rouillon T., Hervieu M., Raveau B. Novel indates Ln2BaIn2O7, n = 2 members of the Ruddlesden- Popper family (Ln = La, Nd) // Journal of Materials Chemistry. - V. 12. - P. 473-476]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала BaLa1.9Ca0.1In2O6.95 (Фиг.1) на дифрактометре Bruker Advance D8 в СuКα-излучении при напряжении на трубке 40 кВ и токе 40 мА. Съемка производилась в интервале 2θ = 20°-80° с шагом 0.05°θ и экспозицией 1 секунда на точку. Анализ показал, что материал Ba1.1Nd1.9In2O6.95 является однофазными и характеризуется тетрагональной симметрией.The Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 material was obtained by the solid-phase synthesis method known from [Caldes M., Michel C., Rouillon T., Hervieu M., Raveau B. Novel indates Ln 2 BaIn 2 O 7 , n = 2 members of the Ruddlesden-Popper family (Ln = La, Nd) // Journal of Materials Chemistry. - V. 12. - P. 473-476]. Conducted x-ray phase analysis of a sample of the material BaLa 1.9 Ca 0.1 In 2 O 6.95 (Figure 1) on a diffractometer Bruker Advance D8 in СuКα radiation at a tube voltage of 40 kV and a current of 40 mA. The shooting was carried out in the interval 2θ = 20°-80° with a step of 0.05°θ and an exposure of 1 second per point. The analysis showed that the Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 material is single-phase and is characterized by tetragonal symmetry.
Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95, (в температурном диапазоне от 300 °C до 900 °С, в частотном интервале 1 Гц÷1 МГц и в атмосферах воздуха (pO2 = 0.21 атм) и аргона (pO2 = 10-5 атм). Результаты измерения показаны на фиг.2 и 3 в сухой (pH2O = 3.5⋅10−5 атм) и влажной (pH2O = 2⋅10−2 атм) атмосферах соответственно. Данные демонстрируют высокие значения электропроводности в исследуемом температурном интервале, которые для материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95 выше, чем для материала BaNd2In2O7.Impedance spectroscopy on an Impendancemeter Elins Z-1000P instrument was used to determine the electrical conductivity of the obtained material Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 2 = 0.21 atm) and argon (pO 2 = 10 -5 atm) The measurement results are shown in figures 2 and 3 in dry ( p H 2 O = 3.5⋅10 -5 atm) and wet ( p H 2 O = 2 ⋅10 −2 atm) atmospheres, respectively. The data demonstrate high electrical conductivity values in the studied temperature range, which are higher for the Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 material than for the BaNd 2 In 2 O 7 material.
Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости материалов Ba1.1Nd1.9In2O6.95 и BaNd2In2O7 представлены на фиг.4, из которой видно, что при 450 °C величина протонной проводимости материала Ba1.1Nd1.9In2O6.95 составляет 2.2⋅10−5 Ом−1⋅см−1, а материала BaNd2In2O7 - 1.8⋅10−5 Ом−1⋅см−1.The proton conductivity values were obtained as the difference between the electrical conductivity values in wet and dry argon atmospheres at the same temperature. The temperature dependences of the proton conductivity of the materials Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 and BaNd 2 In 2 O 7 are shown in Fig.4, from which it can be seen that at 450 °C the value of the proton conductivity of the material Ba 1.1 Nd 1.9 In 2 O 6.95 is 2.2⋅ 10 −5 Ω −1 ⋅cm −1 , and for the material BaNd 2 In 2 O 7 - 1.8⋅10 −5 Ω −1 ⋅cm −1 .
Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-неодима, и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.Thus, a new proton-conducting material based on barium-neodymium indate has been obtained, and which can potentially be used as an electrolyte material for a proton-conducting solid oxide cell.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794192C1 true RU2794192C1 (en) | 2023-04-12 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1081782A2 (en) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Nissan Motor Company, Limited | Solid electrolyte, method of producing same and fuel cell using same |
| JP2004103338A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Solid electrolyte fuel cell |
| CN105449227A (en) * | 2016-01-02 | 2016-03-30 | 红河学院 | Layered perovskite cathode material for fuel cell and preparation method of layered perovskite cathode material |
| RU2713189C2 (en) * | 2015-10-08 | 2020-02-04 | Лоу Эмишнз Рисорсиз Корпорейшн | Tubular solid oxide electrochemical cell with bearing electrode |
| JP2020513672A (en) * | 2016-11-23 | 2020-05-14 | ツィンファ ユニバーシティ | Solid fuel cell and method for preparing solid electrolyte |
| EP3937281A1 (en) * | 2020-07-07 | 2022-01-12 | Yara International ASA | Method for operating an sofc for the combined production of electricity and nitric oxide |
| CN114976068A (en) * | 2022-06-22 | 2022-08-30 | 深圳大学 | Solid oxide fuel cell and preparation method thereof |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1081782A2 (en) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Nissan Motor Company, Limited | Solid electrolyte, method of producing same and fuel cell using same |
| JP2004103338A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Solid electrolyte fuel cell |
| RU2713189C2 (en) * | 2015-10-08 | 2020-02-04 | Лоу Эмишнз Рисорсиз Корпорейшн | Tubular solid oxide electrochemical cell with bearing electrode |
| CN105449227A (en) * | 2016-01-02 | 2016-03-30 | 红河学院 | Layered perovskite cathode material for fuel cell and preparation method of layered perovskite cathode material |
| JP2020513672A (en) * | 2016-11-23 | 2020-05-14 | ツィンファ ユニバーシティ | Solid fuel cell and method for preparing solid electrolyte |
| EP3937281A1 (en) * | 2020-07-07 | 2022-01-12 | Yara International ASA | Method for operating an sofc for the combined production of electricity and nitric oxide |
| CN114976068A (en) * | 2022-06-22 | 2022-08-30 | 深圳大学 | Solid oxide fuel cell and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fabbri et al. | Does the increase in Y-dopant concentration improve the proton conductivity of BaZr1− xYxO3− δ fuel cell electrolytes? | |
| Iwahara et al. | Proton conduction in sintered oxides based on BaCeO3 | |
| Farlenkov et al. | Local disorder and water uptake in La1–xSrxScO3–δ | |
| Hakimova et al. | Effect of isovalent substitution of La3+ in Ca-doped LaNbO4 on the thermal and electrical properties | |
| Subardi et al. | Chemical bulk diffusion and electrochemical properties of SmBa0. 6Sr0. 4Co2O5+ δ cathode for intermediate solid oxide fuel cells | |
| Amsif et al. | Low temperature sintering of LaNbO4 proton conductors from freeze-dried precursors | |
| Luo et al. | Electrical properties and chemical stability of Br addition in BaCe0. 8Gd0. 2O3-α proton-conducting electrolyte | |
| Poulsen et al. | Conductivity and seebeck measurements on strontium ferrates | |
| Wang et al. | Decreasing the polarization resistance of LaSrCoO4 cathode by Fe substitution for Ba (Zr0. 1Ce0. 7Y0. 2) O3 based protonic ceramic fuel cells | |
| Han et al. | Nickel-based layered perovskite cathode materials for application in intermediate-temperature solid oxide fuel cells | |
| RU2794192C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate | |
| Tarasova et al. | The Effect of Donor Doping on the Ionic (О 2–, Н+) Transport in Novel Complex Oxides BaLaIn 1–x Nb x O 4+ x with the Ruddlesden–Popper Structure | |
| RU2791726C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate | |
| Miyazaki et al. | La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3− δ–Ba (Ce, Co, Y) O3− δ composite cathodes for proton-conducting ceramic fuel cells | |
| RU2806785C1 (en) | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND MAGNESIUM | |
| RU2807442C1 (en) | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM | |
| RU2788361C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate | |
| RU2781270C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity | |
| RU2800973C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on yttrium-doped barium-lanthanum indate | |
| RU2777335C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate | |
| Shawuti | Wide band gap conducting oxides electrolyte materials for intermediate temperature SOFCs | |
| RU2801690C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on phosphorus-doped calcium zirconate | |
| RU2800229C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on praseodymium-substituted barium-lanthanum indate | |
| RU2789751C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium indate-lanthanum | |
| RU2789752C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate |