RU2807442C1 - SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM - Google Patents

SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM Download PDF

Info

Publication number
RU2807442C1
RU2807442C1 RU2023108814A RU2023108814A RU2807442C1 RU 2807442 C1 RU2807442 C1 RU 2807442C1 RU 2023108814 A RU2023108814 A RU 2023108814A RU 2023108814 A RU2023108814 A RU 2023108814A RU 2807442 C1 RU2807442 C1 RU 2807442C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lanthanum
indate
barium
proton conductivity
solid oxide
Prior art date
Application number
RU2023108814A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталия Александровна Тарасова
Ирина Евгеньевна Анимица
Анжелика Олеговна Бедарькова
Екатерина Викторовна Абакумова
Евгения Михайловна Веринкина
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Application granted granted Critical
Publication of RU2807442C1 publication Critical patent/RU2807442C1/en

Links

Abstract

FIELD: materials for electrochemical devices.
SUBSTANCE: invention relates to production of materials for electrochemical devices, namely, solid oxide electrolyte materials with proton conductivity based on barium-lanthanum indate (BaLa2In2O7), which can be used as an electrolyte material in proton-conducting solid oxide fuel cells used to generate electric power. The material is barium-lanthanum indate, doped with strontium and calcium, and has the following composition: BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925.
EFFECT: high values of proton conductivity at T < 450°C and pH2O = 2⋅10−2 atm.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa2In2O7), 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-lanthanum indate (BaLa 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)00196-4) [1]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к углекислому газу, что снижает его эффективность при работе в топливных элементах. Most known materials characterized by proton conductivity combined with low chemical stability 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)00196-4) [1]. This material has low chemical resistance to carbon dioxide, which reduces its efficiency when used 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-лантана, характеризующийся блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Этот материал представляет собой протонный проводник при температуре ниже 450°C и влажности атмосферы pH2O = 2⋅10-2 атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 450°C составляют 1.7⋅10-6 Ом-1∙см-1.Chemical compounds with a structure different from the perovskite structure can be considered as new promising proton conductors. As such, barium-lanthanum indate is known, characterized by a Ruddlesden-Popper block-layer structure. This material is a proton conductor at temperatures below 450°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 1.7⋅10 -6 Ohm -1 ∙ cm -1 .

Задача настоящего изобретения состоит в повышении протонной проводимости материала на основе индата бария-лантана, 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 barium lanthanum indate material, which can be used as an electrolyte in a solid oxide fuel cell.

Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой индат бария-лантана, допированный стронцием и кальцием, имеющий состав: BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925.For this purpose, a solid oxide electrolyte material with proton conductivity has been proposed, which is barium-lanthanum indate doped with strontium and calcium, having the composition: BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 .

При введении катионов стронция и кальция в подрешетку лантана образуются вакансии кислорода, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости.When strontium and calcium cations are introduced into the lanthanum sublattice, oxygen vacancies are formed, as a result of which the values of oxygen-ion and proton conductivity increase.

Полученный индат бария-лантана, допированный стронцием и кальцием характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 450°C и pH2O = 2⋅10-2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.The resulting barium-lanthanum indate, doped with strontium and calcium, is characterized by high values of proton conductivity with the dominance of proton transport at T < 450°C and p H 2 O = 2⋅10 -2 atm, which are necessary conditions for the use of the material as a proton-conducting fuel electrolyte element.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T < 450°C и pH2O = 2⋅10-2 атм.The new technical result achieved by the claimed invention is the creation of a material based on barium-lanthanum indate, characterized by high values of proton conductivity at T < 450°C and p H 2 O = 2⋅10 -2 atm.

Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1 показана дифрактограмма образца материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925. На фиг. 2 и 3 представлены температурные зависимости электропроводности образца материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 в сравнении с материалом BaLa2In2O7 в сухой (pH2O = 3.5⋅10-5 атм) и влажной (pH2O = 2⋅10-2 атм) атмосферах соответственно. На фиг. 4 представлены температурные зависимости протонной проводимости образца материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 в сравнении с материалом BaLa2In2O7.The invention is illustrated by drawings. In fig. Figure 1 shows a diffraction pattern of a sample of the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 . In fig. Figures 2 and 3 show the temperature dependences of the electrical conductivity of a sample of the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 in comparison with the material BaLa 2 In 2 O 7 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. Figure 4 shows the temperature dependences of the proton conductivity of a sample of the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 in comparison with the material BaLa 2 In 2 O 7 .

Материал BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 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. https://doi.org/10.1039/B108987K) [2]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 (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 BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 является однофазными и характеризуется тетрагональной симметрией.The material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 was obtained by solid-phase synthesis, 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. https://doi.org/10.1039/B108987K) [2]. An X-ray phase analysis of a sample of the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 (Fig. 1) was carried out on a Bruker Advance D8 diffractometer in CuKα 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 material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 is single-phase and characterized by tetragonal symmetry.

Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925, (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 BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 выше, чем для материала BaLa2In2O7.Using the impedance spectroscopy method on an Impendancemeter Elins Z-1000P device, the electrical conductivity of the resulting material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 was determined (in the temperature range from 300°C to 900°C, in the frequency range 1 Hz ÷ 1 MHz and in air atmospheres (pO 2 = 0.21 atm) and argon (pO 2 = 10 -5 atm).The measurement results are shown in Fig. 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 values of electrical conductivity in the temperature range under study, which for the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 are higher than for the material BaLa 2 In 2 O 7 .

Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости материалов BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 и BaLa2In2O7 представлены на фиг. 4, из которой видно, что при 450°C величина протонной проводимости материала BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925 составляет 1.3∙10−5 Ом−1∙см−1, а материала BaLa2In2O7 - 1.7∙10−6 Ом−1∙см−1.The proton conductivity values were obtained as the difference between the electrical conductivity values in atmospheres of wet and dry argon at the same temperature. The temperature dependences of the proton conductivity of the materials BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 and BaLa 2 In 2 O 7 are presented in Fig. 4, from which it can be seen that at 450°C the proton conductivity of the material BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 is 1.3∙10 −5 Ohm −1 ∙cm −1 , and the material BaLa 2 In 2 O 7 is 1.7∙ 10 −6 Ohm −1 ∙cm −1 .

Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-лантана, и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.Thus, a new proton-conducting material based on barium-lanthanum indate has been obtained, which can potentially be used as an electrolyte material for a proton-conducting solid oxide cell.

Claims (1)

Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой индат бария-лантана, допированный стронцием и кальцием, имеющий состав: BaLa1.9Sr0.1In1.95Ca0.05O6.925.Solid oxide electrolyte material with proton conductivity, which is barium-lanthanum indate, doped with strontium and calcium, having the composition: BaLa 1.9 Sr 0.1 In 1.95 Ca 0.05 O 6.925 .
RU2023108814A 2023-04-07 SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM RU2807442C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2807442C1 true RU2807442C1 (en) 2023-11-14

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1145722A (en) * 1997-07-29 1999-02-16 Tokyo Gas Co Ltd Manufacturing method of air pole for solid electrolytic fuel cell and solid electrolytic fuel cell having air pole manufactured by this method
RU2681947C1 (en) * 2017-12-08 2019-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Solid oxide proton conducting material
KR20210080956A (en) * 2019-12-23 2021-07-01 인천대학교 산학협력단 Perovskite oxide for anode functional layer of Solid Oxide Fuel Cell, Composition of anode functional layer comprising the same, and Solid Oxide Fuel Cell comprising the same
RU2781270C1 (en) * 2022-02-01 2022-10-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1145722A (en) * 1997-07-29 1999-02-16 Tokyo Gas Co Ltd Manufacturing method of air pole for solid electrolytic fuel cell and solid electrolytic fuel cell having air pole manufactured by this method
RU2681947C1 (en) * 2017-12-08 2019-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Solid oxide proton conducting material
KR20210080956A (en) * 2019-12-23 2021-07-01 인천대학교 산학협력단 Perovskite oxide for anode functional layer of Solid Oxide Fuel Cell, Composition of anode functional layer comprising the same, and Solid Oxide Fuel Cell comprising the same
RU2781270C1 (en) * 2022-02-01 2022-10-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fabbri et al. Tailoring the chemical stability of Ba (Ce0. 8− xZrx) Y0. 2O3− δ protonic conductors for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs)
Okuyama et al. Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M= Al, Sc, In, Yb, Y)
Leonard et al. Influence of dopant levels on the hydration properties of SZCY and BZCY proton conducting ceramics for hydrogen production
Yu et al. La1− xSrxCuO2. 5− δ as new cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells
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
Fung et al. Cathode-supported SOFC using a highly conductive lanthanum aluminate-based electrolyte
Pikalova et al. The influence of the substituting element (M= Ca, Sr, Ba) in La1. 7M0. 3NiO4+ δon the electrochemical performance of the composite electrodes
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
Trinh et al. Effect of Ti substitution for Nb in double perovskite-type Ba3CaNb2O9 on chemical stability and electrical conductivity
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
RU2807442C1 (en) SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM
RU2806785C1 (en) SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND MAGNESIUM
Miyazaki et al. La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3− δ–Ba (Ce, Co, Y) O3− δ composite cathodes for proton-conducting ceramic fuel cells
RU2791726C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate
RU2794192C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate
RU2800973C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on yttrium-doped barium-lanthanum indate
RU2781270C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity
RU2788361C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate
RU2777335C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate
RU2789751C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium indate-lanthanum
RU2801690C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on phosphorus-doped calcium zirconate
RU2789752C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate
RU2800229C1 (en) Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on praseodymium-substituted barium-lanthanum indate