Исследование физико-химических свойств сложных оксидов YBa(Co,Me)2O5+δ (Me=Fe,Ni,Cu) в качестве материала катода для среднетемпературного твердооксидного топливного элемента

Abstract

Сложные оксиды состава YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) с 0.0≤x≤1.0 были синтезированы по глицерин-нитратной технологии и аттестованы рентгенографически, термогравиметрически, дилатометрически и с использованием химического анализа. Из рентгенографических данных было установлено, что однофазные сложные оксиды YBaCo2-xFexO5+δ образуются в интервале составов 0.0≤х≤0.7, для медь-замещенных образцов область гомогенности 0.0≤x≤0.6. При замещении кобальта на никель был получен единственный сложный оксид состава YBaCo1.9Ni0.1O5+δ. Кристаллическая структура оксидов YBaCo2-хMeхO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) была описана в рамках тетрагональной ячейки (пр. гр. P4/mmm). Для всех однофазных образцов из рентгенографических данных методом полнопрофильного анализа Ритвелда были вычислены параметры кристаллической решетки. Кислородная нестехиометрия исследуемых твердых растворов была изучена термогравиметрически в интервале температур 298 – 1373 K на воздухе. Установлено, что постепенное замещение кобальта на железо приводит к увеличению содержания кислорода в образцах, а замещение на медь или никель – к его уменьшению. Термическое расширение сложных оксидов состава YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Cu) было изучено на дилотометре Netzsch DIL 402C в интервале температур 298 – 1273 K на воздухе. Химическая совместимость сложных оксидов YBaCo2-xMexO5+δ (Me = Fe, Cu) по отношению к материалу электролита (Ce0.8Sm0.2O2-δ и Zr0.85Y0.15O2-δ) изучена методом контактных отжигов в температурном интервале 1073–1373 K на воздухе, смесь с массовым отношением 1:1 отжигали в течение 24 часов с последующим рентгенографическим анализом.

Polycrystalline YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) samples with 0.0≤x≤1.0 were synthesized by a glycerol-nitrate route and characterized by X-ray diffraction, thermogravimetric and chemical analysis and dilatometry. According to the results of XRD analysis the homogeneity range for the YBaCo2-хFeхO5+δ solid solutions appears within 0.0≤x≤0.7, for the YBaCo2-хCuхO5+δ 0.0≤x≤0.6. Gradual substitution of cobalt by nickel leads to the formation of YBaCo1.9Ni0.1O5+δ. All YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) solid solutions were founded to have tetragonal structure (sp. gr. P4/mmm). The unit cell parameters were refined using Rietveld full-profile analysis. Oxygen nonstoichiometry of the YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) solid solutions was measured by means of thermogravimetric technique within the temperature range 298 – 1373 K in air. Gradual substitution of cobalt by iron leads to the increase of oxygen content while introduction of copper or nickel significantly decrease it. Thermal expansion of YBaCo2-xMexO5+δ (Me=Fe, Ni, Cu) were studied using Netzsch DIL 402C dilatometer within the temperature range 298 – 1273 K in air. Chemical compatibility with the electrolyte materials Zr0.85Y0.15O2-δ and Ce0.8Sm0.2O2-δ have been checked within the temperature range 1173–1373 К by means of annealing of the corresponding mixtures with 1:1 weight ratio during 24 h in air with following XRD analysis.