RU2823799C1 - Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе станната бария - Google Patents
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе станната бария Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823799C1 RU2823799C1 RU2024105044A RU2024105044A RU2823799C1 RU 2823799 C1 RU2823799 C1 RU 2823799C1 RU 2024105044 A RU2024105044 A RU 2024105044A RU 2024105044 A RU2024105044 A RU 2024105044A RU 2823799 C1 RU2823799 C1 RU 2823799C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atm
- basn
- proton
- conductivity
- barium stannate
- Prior art date
Links
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 229940071182 stannate Drugs 0.000 title claims abstract description 9
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N scandium oxide Chemical compound O=[Sc]O[Sc]=O HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 18
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910002929 BaSnO3 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к получению электролитных материалов с протонной проводимостью, которые могут быть использованы в протонно-керамических топливных элементах. Материал представляет собой станнат бария (BaSnO3), совместно допированный оксидом индия и оксидом скандия, имеющий состав BaSn0.7In0.15Sc0.15O3−δ+0.5 мас.% CuO. Техническим результатом является низкое значение дырочной проводимости при T = 700°C, pO2 = 0.21 атм (pH2O = 2∙10−2 атм). 3 ил.
Description
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе станната бария
Изобретение относится к получению электролитных материалов с протонной проводимостью, которые могут быть использованы в протонно-керамических топливных элементах.
Известен электролитный материал для протонно-керамических топливных элементов на основе BaCeO3 (Bhide S.V., Virkar A.V. Stability of BaCeO3-Based Proton Conductors in Water-Containing Atmospheres // Journal of The Electrochemical Society. - 1999. - V. 146. - P. 2038. https://doi.org/10.1149/1.1391888) [1]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к водяному пару и кислотным оксидам, содержащимся в газовой атмосфере, что приводит к разрушению его структуры и снижению ионной проводимости с течением времени.
Известен химически устойчивый к водяному пару и кислотным оксидам электролитный материал для протонно-керамических топливных элементов на основе станната бария состава BaSn0.7Sc0.3O3−δ+0.5 масс.% CuO с ионной проводимостью 2.01 мСм⋅см-1 при 700°С (I.A. Zvonareva, A.M. Mineev, N.A. Tarasova, X.-Z. Fu, D.A. Medvedev. High-temperature transport properties of BaSn1-xScxO3-δ ceramic materials as promising electrolytes for protonic ceramic fuel cells // Journal of Advanced Ceramics. - 2022. - V. 11, № 7. - P. 1131-1143. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0599-x) [2].
При этом величина дырочной проводимости этого материала при парциальном давлении кислорода pO2 = 0.21 атм, влажности атмосферы pH2O = 2⋅10-2 атм и температуре Т = 700°С сравнительно высока и составляет 7.66 мСм⋅см-1, что негативно влияет на эффективность работы электрохимических устройств.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке материала на основе станната бария с пониженной дырочной проводимостью для применения в качестве электролита в протонно-керамических топливных элементах.
Для этого предложен твердооксидный материал с протонной проводимостью, совместно допированный оксидом индия и оксидом скандия, имеющий состав BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO.
Полученный станнат бария, совместно допированный оксидом индия и оксидом скандия, характеризуется низким значением дырочной проводимости при pO2 = 0.21 атм, pH2O = 2⋅10-2 атм и Т = 700°С. При этом значения ионной проводимости остаются приемлемыми для применения в качестве электролитного материала в протонно-керамических топливных элементах.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе станната бария, характеризующегося низким значением дырочной проводимости при pO2 = 0.21 атм, pH2O = 2⋅10-2 атм и Т = 700°С.
Изобретение иллюстрируется рисунками:
На фиг. 1 приведены данные рентгенофазового анализа образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO.
На фиг. 2 представлены температурные зависимости ионной проводимости образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO в сравнении с материалом BaSn0.7Sc0.3O3-δ+0.5 масс.% CuO.
На фиг. 3 представлены температурные зависимости ионной проводимости образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO в сравнении с материалом BaSn0.7Sc0.3O3-δ+0.5 масс.% CuO.
Заявляемый материал получали с применением метода твердофазного синтеза из прекурсоров BaCO3, SnO2, In2O3, Sc2O3. Исходные порошки высушивали, взвешивали в стехиометрических количествах, затем смешивали и измельчали в среде ацетона в течение 2 ч. Смесь высушивали и прокаливали при 1200°С в течение 5 ч на воздухе. Полученные порошки смешивали с +0.5 масс.% CuO, спрессовывали в цилиндрические образцы и спекали при 1450°С в течение 5 ч.
Согласно данным рентгенофазового анализа (фиг.1), выполненного на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance в СuКα-излучении с длиной волны λ = 1.54056 Å в интервале 2θ = 20°-90° с шагом 0.02° и экспозицией 1 секунда на точку, керамический образец состава BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO является однофазным и характеризуется кубической симметрией.
Общую проводимость керамического образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO определяли четырехзондовым методом на постоянном токе, известным из (RU133320, опубл. 10.10.2013) [3]. Измерения проводили при pO2 = 0.21 атм (pH2O = 2⋅10-2 атм) и pO2 = 10-8 атм в диапазоне Т от 600 до 900°С.
Значения общей проводимости керамического образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO, полученные при pO2 = 10-8 атм, относятся к значениям ионной проводимости, что подтверждается источником (I. Zvonareva, X.-Z. Fu, D. Medvedev, Z. Shao. Electrochemistry and energy conversion features of protonic ceramic cells with mixed ionic-electronic electrolytes // Energy & Environmental Science. - 2022. - V. 15, № 2. - P. 439-465) [4]. Эти значения составляют 1.79 мСм⋅см-1 при 700°С, что близко к значениям ионной проводимости керамического образца материала BaSn0.7Sc0.3O3-δ+0.5 масс.% CuO (фиг.2).
Значения дырочной проводимости керамического образца материала BaSn0.7In0.15Sc0.15O3-δ+0.5 масс.% CuO были получены как разность значений общей проводимости при pO2 = 0.21 атм (pH2O = 2⋅10-2 атм) и общей проводимости при pO2 = 10-8 атм, и составляют 4.34 мСм⋅см-1 при 700°С, что ниже значений дырочной проводимости керамического образца материала BaSn0.7Sc0.3O3-δ+0.5 масс.% CuO (фиг.3).
Таким образом, получен новый твердооксидный материал с протонной проводимостью на основе станната бария, который потенциально может быть применен в качестве электролитного материала для протонно-керамических топливных элементов.
Claims (1)
- Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой станнат бария, совместно допированный оксидом индия и оксидом скандия, имеющий состав: BaSn0.7In0.15Sc0.15O3−δ+0.5 мас.% CuO.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823799C1 true RU2823799C1 (ru) | 2024-07-30 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070062925A (ko) * | 2005-12-13 | 2007-06-18 | 가부시끼가이샤 도시바 | 전해질막, 전극 및 연료 전지 |
| KR20210080956A (ko) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | 인천대학교 산학협력단 | 고체산화물 연료전지의 연료극 기능층 제조용 페로브스카이트 구조 산화물, 이를 포함하는 연료극 기능층 조성물 및 고체산화물 연료전지 |
| RU2777335C1 (ru) * | 2022-03-23 | 2022-08-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070062925A (ko) * | 2005-12-13 | 2007-06-18 | 가부시끼가이샤 도시바 | 전해질막, 전극 및 연료 전지 |
| KR20210080956A (ko) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | 인천대학교 산학협력단 | 고체산화물 연료전지의 연료극 기능층 제조용 페로브스카이트 구조 산화물, 이를 포함하는 연료극 기능층 조성물 및 고체산화물 연료전지 |
| RU2777335C1 (ru) * | 2022-03-23 | 2022-08-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| I.A. Zvonareva, A.M. Mineev, N.A. Tarasova, X.-Z. Fu, D.A. Medvedev. High-temperature transport properties of BaSn1-xScxO3-d ceramic materials as promising electrolytes for protonic ceramic fuel cells // Journal of Advanced Ceramics. - 2022. - V. 11, N 7. - P. 1131-1143. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bonanos et al. | Ionic conductivity of gadolinium-doped barium cerate perovskites | |
| Guan et al. | Transport properties of BaCe0. 95Y0. 05O3− α mixed conductors for hydrogen separation | |
| JP2882104B2 (ja) | プロトン伝導体およびその製造方法 | |
| Ling et al. | Bismuth and indium co-doping strategy for developing stable and efficient barium zirconate-based proton conductors for high-performance H-SOFCs | |
| Azimova et al. | Transport properties and stability of cobalt doped proton conducting oxides | |
| Bongio et al. | Microstructural and High-Temperature Electrical Characterization of La1− x Sr x FeO3− δ | |
| Leng et al. | The effect of sintering aids on BaCe0· 7Zr0· 1Y0. 1Yb0. 1O3-δ as the electrolyte of proton-conducting solid oxide electrolysis cells | |
| Sozal et al. | Electrical, thermal, and H2O and CO2 poisoning behaviors of PrNi0. 5Co0. 5O3-δ electrode for intermediate temperature protonic ceramic electrochemical cells | |
| Lesnichyova et al. | Proton conductivity and mobility in Sr-doped LaScO3 perovskites | |
| Loureiro et al. | Effect of humidification on the grain boundary conductivity and space-charge effects in yttrium-doped barium cerate | |
| Kuroha et al. | Effect of added Ni on defect structure and proton transport properties of indium-doped barium zirconate | |
| Kim et al. | Electrical properties of BaZr0. 5Ce0. 3Y0. 1Yb0. 1O3-δ proton conductor for reversible proton-conducting solid oxide electrochemical cells | |
| Danilov et al. | The effect of oxygen and water vapor partial pressures on the total conductivity of BaCe0. 7Zr0. 1Y0. 2O3–δ | |
| Zvonareva et al. | Ionic and electronic transport of dense Y-doped barium stannate ceramics for high-temperature applications | |
| Hung et al. | Phase stability and conductivity of Ba1− ySryCe1− xYxO3− δ solid oxide fuel cell electrolyte | |
| Satapathy et al. | Conduction and relaxation phenomena in barium zirconate ceramic in wet N2 environment | |
| Uehara et al. | Preparation and mixed proton-hole conductivity of barium zirconate doped with scandium and cobalt | |
| Starostin et al. | Transport properties of highly dense proton-conducting BaSn1− xInxO3− δ ceramics | |
| Ivanova et al. | Functional properties of La0. 99X0. 01Nb0. 99Al0. 01O4− δ and La0. 99X0. 01Nb0. 99Ti0. 01O4− δ proton conductors where X is an alkaline earth cation | |
| Han et al. | La 2 (Nb 1− x Y x) 2 O 7− δ: discovery of a novel fluorite structure-based ionic conductor | |
| Filatov et al. | Impact of dopants on electrical conductivity of proton-conducting SrHfO3 perovskite | |
| RU2823799C1 (ru) | Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе станната бария | |
| Miyazaki et al. | La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3− δ–Ba (Ce, Co, Y) O3− δ composite cathodes for proton-conducting ceramic fuel cells | |
| Li et al. | Enhanced sinterability and conductivity of cobalt doped lanthanum niobate as electrolyte for proton-conducting solid oxide fuel cell | |
| JPH06231611A (ja) | 混合イオン導電体 |