Получение и функциональные свойства сложнооксидных материалов на основе Ca3Co4O9+δ как перспективных катодов для среднетемпературных ТОТЭ : магистерская диссертация

Abstract

Объектами исследования настоящей работы являются катодные материалы на основе сложного оксида Сa3Co4O9+δ. Цель работы – апробация материалов на основе Сa3Co4O9+δ, которые могут быть использованы в качестве катодов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов с протон-проводящими электролитами BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3- и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. Методом пиролиза цитрат-солевых композиций проведен синтез сложных оксидов Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. При помощи комплекса современных методов исследования выполнена фазовая, структурная и микроструктурная аттестация оксидов Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4 xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. Термогравиметрическим методом исследована термическая устойчивость Сa3Co4O9+δ на воздухе и в атмосфере аргона. Термическое расширение оксидов Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ изучено методом дилатометрии, доказана их термическая совместимость. Изучена химическая совместимость оксида Сa3Co4O9+δ с электролитными материалами Ba2In1.8W0.2O5.15, 0.7Ba2In2O5·0.3Ba2InNbO6, Ba3Ca1.18Nb1.82O9 δ, BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3 δ, а также материалами коллекторных слоев La0.6Sr0.4MnO3-δ и LaNi0.6Fe0.4О3 δ, установлена оптимальная температура припекания катодного материала Сa3Co4O9+δ к электролиту BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ. Исследованы температурные зависимости электропроводности Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ на воздухе. Сформированы электроды на основе композитов с различным массовым содержанием Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ на подложках из BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, а также электроды на основе Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0; 0.05; 0.1; 0.15) на подложках из BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ. Методом импедансной спектроскопии на симметричных ячейках измерены поляризационные характеристики полученных электродов, а также электродов с оксидным коллектором состава La0.6Sr0.4MnO3-δ+2 масс.% CuO.

The object of study in this work is a cathode material based on the Сa3Co4O9+δ. The aim of the work is to study the electrochemical behavior of electrodes based on the Сa3Co4O9+δ with the electrolyte materials BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3- and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. The synthesis of the Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3- complex oxides was carried out by pyrolysis of citrate-salt compositions. Using a complex of modern research methods, phase, structural and microstructural attestation of the Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3- oxides were carried out. The thermal stability of the Сa3Co4O9+δ in air and in the argon atmosphere was studied by the thermo gravimetrical method. The thermal expansion of the Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ oxides was studied by dilatometry, and their thermal compatibility was proved. The chemical compatibility of the Сa3Co4O9+δ oxide with the electrolyte materials Ba2In1.8W0.2O5.15, 0.7Ba2In2O5·0.3Ba2InNbO6, Ba3Ca1.18Nb1.82O9 δ, BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, Lа0.6Sr0.4MnO3-δ and LaNi0.6Fe0.4О3-δ collector materials was studied, the optimal temperature of the cathode material Сa3Co4O9+δ annealing to the BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ electrolyte was established. The temperature dependences of the electrical conductivity of the Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ in air were investigated. Electrodes based on composites with different mass contents of Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ on substrates of BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, as well as electrodes based on Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0; 0.05; 0.1; 0.15) on substrates of BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3  were formed. The polarization characteristics of the obtained electrodes, including those with an La0.6Sr0.4MnO3-δ+2 wt.% CuO oxide collector, were studied by the method of impedance spectroscopy on the symmetric cells.