Композитные материалы на основе скандата лантана и кобальтита лантана для протонно-керамических электрохимических устройств

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе выполнен цитрат-нитратный синтез индивидуальных материалов La0.9Sr0.1Sc0.9Co0.1O3 – δ и La0.9Sr0.1CoO3 – δ и композитов на основе этих оксидов. Композитные материалы получены твердофазным смешением в разных процентных соотношениях отдельных фаз c последующим прессованием и спеканием. Полученные индивидуальные и композитные материалы были исследованы методами рентгенофазового анализа и дилатометрии. Электропроводность полученных образцов изучена четырехзондовым методом на постоянном токе в зависимости от температуры и состава газовой фазы. Проведены исследования способности композитов к прямому разложению аммиака непосредственно на электроде электрохимической ячейки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ю. Строева

Вятский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: stroevaanna@yandex.ru
Россия, Киров

З. Н. Ичетовкин

Вятский государственный университет

Email: stroevaanna@yandex.ru
Россия, Киров

М. С. Плеханов

Вятский государственный университет

Email: stroevaanna@yandex.ru
Россия, Киров

В. А. Борисов

Центр новых химических технологий ИК СО РАН

Email: stroevaanna@yandex.ru

Институт катализа СО РАН

Россия, Омск

Д. А. Шляпин

Центр новых химических технологий ИК СО РАН

Email: stroevaanna@yandex.ru

Институт катализа СО РАН

Россия, Омск

П. В. Снытников

Институт катализа СО РАН

Email: stroevaanna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. В. Кузьмин

Вятский государственный университет

Email: a.v.kuzmin@yandex.ru
Россия, Киров

Список литературы

  1. Fabbri, E., Pergolesi, D., and Traversa, E., Materials challenges toward proton-conducting oxide fuel cells: a critical review, Chem. Soc. Rev., 2010, vol. 39, p. 4356.
  2. Kreuer, K.-D., On the development of proton conducting materials for technological applications, Solid State Ion., 1997, vol. 97, p. 4.
  3. Ockwig, N. and Nenoff, T.M., Membranes for Hydrogen Separation, Chem. Rev., 2007, vol. 107, p. 4079.
  4. Lu, G.Q., Diniz da Costa, J., Duke, M., Giessler, S., Socolow, R., Williams, R.H., and Kreutz, T., Inorganic membranes for hydrogen production and purification: A critical review and perspective, J. Colloid Interface Sci., 2007, vol. 314, p. 593.
  5. Malavasi, L., Fisher, С.А., and Islam, M.S., Oxide-ion and proton conducting electrolyte materials for clean energy applications: structural and mechanistic features, Chem. Soc. Rev., 2010, vol. 39, p. 74.
  6. Norby, T., Solid-state protonic conductors: principles, properties, progress and prospects, Solid State Ion., 1999, vol. 125, p. 3.
  7. Song, J.-H., Park, S.-I., Lee, J.-H., and Kim, H.-S., Fabrication characteristics of an anode-supported thin-film electrolyte fabricated by the tape casting method for IT-SOFC, J. Mater. Process. Technol., 2008, vol. 198, p. 416.
  8. Davis, B., Armstrong, F., Bowen, P., Fowler, D., Irvine, J., and Murciano, L.-T., Ammonia: zerocarbon fertiliser, fuel and energy store, London: The Royal Society, 2020, p. 12–34.
  9. Grinberg, D.A., Elishav, O., Bardow, A., Shter, G.E., and Grader, G.S., Nitrogen-based fuels: a power-to-fuel-to-power analysis, Chem. Int. Ed. Engl., 2016, vol. 55, p. 8798.
  10. Lucentini, I., Garcia, X., Vendrell, X., and Llorca, J., Review of the decomposition of ammonia to generate hydrogen, Ind. Eng. Chem. Res., 2021, vol. 60, p.18561.
  11. Herron, J.A., Ferrin, P., and Mavrikakis, M., Electrocatalytic oxidation of ammonia on Transition-metal surfaces: A first-principles study, J. Phys. Chem. C, 2015, vol. 119, p. 14692.
  12. Medvedev, D., Murashkina, A., Pikalova, E., Demin, A., Podias, A., and Tsiakaras, P., BaCeO3: Materials development, properties and application, Prog. Mater. Sci., 2014, vol. 60, p. 76.
  13. Medvedev, D., Lyagaeva, J., Gorbova, E., Demin, A., and Tsiakaras, P., Advanced materials for SOFC application: Strategies for the development of highly conductive and stable solid oxide proton electrolytes, Prog. Mater. Sci., 2016, vol. 75, p. 44.
  14. Somekawa, T., Matsuzaki, Y., Sugahara, M., Tachikawa, Y., Matsumoto, H., Taniguchu, S., and Sasaki, K., Physicochemical properties of Ba(Zr, Ce)O3 – δ – based proton-conducting electrolytes for solid oxide fuel cells in terms of chemical stability and electrochemical performance, Intern. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 16725.
  15. Song, J., Meng, B., and Tan, X., Stability and electrical conductivity of BaCe0.85 Tb0.05M0.1 O3 – δ (M = Co, Fe, Zr, Mn) high temperature proton conductors, Ceram. Intern., 2016, vol. 42, p.13282.
  16. Okuyama, Y., Kozai, T., Ikeda, S., Matsuka, M., Sakaid, T., and Matsumoto, H., Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M = Al, Sc, In, Yb, Y), Electrochim. Acta, 2014, vol. 125, p. 444.
  17. Kuzmin, A.V., Stroeva, A.Y., Gorelov, V.P., Novikova, Y.V., Lesnichyova, A.S., Farlenkov, A.S., and Khodimchuk, A.V., Synthesis and characterization of dense proton-conducting La1 – xSrxScO3 – δ ceramics, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p.1134.
  18. Lesnichyova, A.S., Belyakov, S.A., Stroeva, А. Yu., and Kuzmin, A.V., Proton conductivity and mobility in Sr-doped LaScO3 perovskites, Ceram. Intern., 2021, vol. 47, p. 6108.
  19. Kuzmin, A.V., Lesnichyova, A.S., Tropin, E.S., Stroeva., А. Yu, Vorotnikov, V.A., Solodyankina, D.M., Belyakov, S.A., Plekhanov, M.S., Farlenkov, A.S., Osinkin, D.A., Beresnev, S.M., and Ananyev, M.V., LaScO3-based electrolyte for protonic ceramic fuel cells: Influence of sintering additives on the transport properties and electrochemical performance, J. Power Sources, 2020, vol. 466, p. 228255.
  20. Кузьмин, А.В., Плеханов, М.С., Строева, А.Ю. Композитные электродные материалы для твердооксидных топливных элементов с протонным электролитом La1 – x SrxScO3 – δ. Электрохимия. 2017. T.53. С. 883. [Kuzmin, A.V., Plekhanov, M.S., and Stroeva, A. Yu., Composite Electrode Materials for Solid–Oxide Fuel Cells with the Protonic Electrolyte of La1 – xSrxScO3 – δ, Russ. J. Eleсtrochem., 2017, vol. 53, p. 785.]
  21. Zhu, L., Hong, T., Xu, C., and Cheng, J., A novel dual phase BaCe0.5Fe 0.5O3-δ cathode with high oxygen electrocatalysis activity for intermediate temperature solid oxide fuel cells, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 15406.
  22. Plekhanov, М., Kuzmin, A., Tropin, E., Korolev, D., and Ananyev, M., New mixed ionic and electronic conductors based on LaScO3: Protonic ceramic fuel cells electrodes, J. Power Sources, 2020, vol. 44, p. 227476.
  23. Fabbri, E., Pergolesi, D., and Traversa, E., Ionic conductivity in oxide heterostructures: the role of interfaces, Sci. Technol. Adv. Mater., 2010, vol. 11, p. 6.
  24. Plekhanov, М.S., Lesnichyova, А.S., Stroeva, А. Yu., Ananyev, М.V., Farlenkov, А.S., Bogdanovich, N.М., Belyakov, S.A., and Kuzmin, А.V., Novel Ni cermets for anode-supported proton ceramic fuel cells, J. Solid. State Electrochem., 2019, vol.23, p. 1394.
  25. Rietveld, H.M., The Rietveld Method: A retrospection, Z. Krist., 2010, vol. 225, р. 545.
  26. Toby, B.H. and Von Dreele, R.D., GSAS-II: the genesis of a modern open-source all purpose crystallography software package, J. Appl. Crystallogr., 2013, vol. 46, р. 547.
  27. Wandekar, R.V., Wani, B.N., and Bharadwaj, S.R., Crystal structure, electrical conductivity, thermal expansion and compatibility studies of Co-substituted lanthanum strontium manganite system, Solid State Sci., 2009, vol. 11, p. 248.
  28. Dragan, M., Enache, S., Varlam, M., and Petrov, K., Perovskite-type lanthanum Cobaltite LaCoO3: aspects of processing route toward practical applications, Yildiz, Y. and Manzak, A., Eds, United Kingdom: IntechOpen Ltd., 2019, p. 11.
  29. Petrov, A.N., Kononchuk, O.F., Andreev, A.V., Cherepanov, V.A., and Kofstad, P., Crystal structure, electrical and magnetic properties of La1 – xSrxCoO3 – y, Solid State Ion., 1995, vol. 80, p. 195.
  30. Yin, S., Zhang, Q., Xu, B., Zhu, W., Ng, C.F., and Au, C., Investigation on the catalysis of COx-free hydrogen generation from ammonia, J. Catal., 2004, vol. 224, p. 387.
  31. Borisov, V.A., Iost, K.N., Petrunin, D.A., Temerev, V.L., Muromtsev, I.V., Arbuzov, A.B., Trenikhin, M.V., Gulyaeva, T.I., Smirnova, N.S., Shlyapin, D.A., and Tsyrul’nikov, P.G., Effect of the modifier on the catalytic properties and thermal stability of Ru–Cs(Ba)/Sibunit catalyst for ammonia decomposition, Kinet. Catal., 2019, vol. 60, p.374.
  32. Wang, Z., Cai, Z., and Wei, Z., Highly active ruthenium catalyst supported on barium hexaaluminate for ammonia decomposition to COx-free hydrogen, ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, vol. 7, p. 8228.
  33. Wang, Z., Qu, Y., Shen, X., and Cai, Z., Ruthenium catalyst supported on Ba modified ZrO2 for ammonia decomposition to COx-free hydrogen, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 7305.
  34. Yao, L., Shi, T., Li, Y, Zhao, J., Ji, W., and Au, C., Core–shell structured nickel and ruthenium nanoparticles: very active and stable catalysts for the generation of COx-free hydrogen via ammonia decomposition, Catal. Today, 2011, vol. 164, p. 114.
  35. Huang, C., Li, H., Yang, J., Wang, C., Hu, F., Wang, X., Lu, Z.-H., Feng, G., and Zhang, R., Ce0.6Zr0.3Y0.1O2 solid solutions-supported NiCo bimetal nanocatalysts for NH3 decomposition, Appl. Surf. Sci., 2019, vol. 478, p. 711.
  36. Podila, S., Alhamed, Y.A., Al Zahrani, A.A., and Petrov, L.A., Hydrogen production by ammonia decomposition using Co catalyst supported on Mg mixed oxide systems, Intern. J. Hydrogen Energy, 2015, vol. 40, p. 15412.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгенограммы образцов LSSC10; LSС; LSSC10 – LSС (60–40); LSSC10 – LSС (50–50) и LSSC10 – LSС (40–60), а также штрихрентгенограммы LaScO3 и LaCoO3 из базы данных PDF.

Скачать (144KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые спекания композитных образцов LSSC10 – LSС.

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость объема элементарной ячейки фазы LSSC10 от состава композита и температуры спекания при 1300 оC (круглые значки), 1200 оC (треугольные значки). Пунктирной линией представлен объем элементарной ячейки для исходного состава LSSC10.

Скачать (53KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микрофотографии поверхности образцов LSSC10 – LSC (60–40); LSSC10 – LSC (50–50) и LSSC10 – LSC (40–60) и карты распределения элементов Sc и Co.

Скачать (429KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Температурные зависимости относительного линейного расширения композитных образцов в условиях: осушенного (рН2О = 0.04 кПа) – штриховая линия и увлажненного (рН2О = 3.2 кПа) воздуха – сплошная линия.

Скачать (72KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурные зависимости электропроводности композитных материалов в осушенной атмосфере (pH2O = 0.04 кПа) (а) и увлажненной атмосфере (pH2O = 3.2 кПа) (б).

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024