RU2777335C1 - Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate - Google Patents
Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777335C1 RU2777335C1 RU2022107672A RU2022107672A RU2777335C1 RU 2777335 C1 RU2777335 C1 RU 2777335C1 RU 2022107672 A RU2022107672 A RU 2022107672A RU 2022107672 A RU2022107672 A RU 2022107672A RU 2777335 C1 RU2777335 C1 RU 2777335C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lanthanum
- indate
- barium
- proton conductivity
- bala
- Prior art date
Links
- -1 barium-lanthanum Chemical compound 0.000 title claims abstract description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 28
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012078 proton-conducting electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
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-BaZrO3solid 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 of the known materials, characterized by proton conductivity combined with low chemical resistance, have a perovskite structure or a derivative of it. Such materials include, for example, the material of a proton-conducting electrolyte 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 a low chemical resistance to carbon dioxide, which reduces its effectiveness when working 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 400 °C составляют 1⋅10−6 Ом−1⋅см−1.Chemical compounds with a structure different from that of perovskite can be considered as promising new proton conductors. As such, barium-lanthanum indate is known, which is characterized by a block-layer structure of Ruddlesden-Popper. This material is a proton conductor at temperatures below 450 °C and atmospheric humidity pH 2 O = 2⋅10 −2 atm, however, the values of proton conductivity for it are relatively low and at 400 °C are 1⋅10 −6 Ω −1 ⋅ cm -1 .
Задача настоящего изобретения состоит в разработке твердооксидного электролитного материала на основе индата бария-лантана, с повышенной протонной проводимостью, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.The object of the present invention is to develop a barium lanthanum indate solid oxide electrolyte material with increased proton conductivity, 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, имеющий состав: BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1 - 0.2).For this, a solid oxide electrolyte material with proton conductivity is proposed, which is a barium-lanthanum indate doped with strontium, having the composition: BaLa 2−х Sr х In 2 O 7−0.5х (х = 0.1 - 0.2).
При введении катионов стронция в структуру индата бария-лантана в подрешетке лантана образуются вакансии кислорода, вследствие чего получают индат бария-лантана, допированный стронцием состава: BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1 - 0.2), характеризующийся высоким значением протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 400 °C и pH2O = 2⋅10−2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.When strontium cations are introduced into the structure of barium-lanthanum indate, oxygen vacancies are formed in the lanthanum sublattice, as a result of which barium-lanthanum indate is obtained doped with strontium of the composition: BaLa 2-x Sr x In 2 O 7-0.5x (x = 0.1 - 0.2), characterized by a high value of proton conductivity with the dominance of proton transport at T < 400 °C and pH 2 O = 2⋅10 −2 atm, which are the necessary conditions for using the material as an electrolyte of a proton-conducting fuel cell.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материалов на основе индата бария-лантана, характеризующихся высокими значениями протонной проводимости при T < 400 °C и pH2O = 2⋅10−2 атм.A new technical result achieved by the claimed invention is the creation of materials based on barium-lanthanum indate, characterized by high values of proton conductivity at T < 400 °C and pH 2 O = 2⋅10 −2 atm.
Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1 - 3 показаны дифрактограммы образцов полученного материала состава BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20). Состав образцов исследуемого материала представлен в таблице. На фиг. 4 и 5 представлены температурные зависимости электропроводности образцов полученного материала в сравнении с материалом BaLa2In2O7 в сухом (pH2O = 3.5⋅10−5 атм) и влажном (pH2O = 2⋅10−2 атм) воздухе соответственно. На фиг.6 представлены зависимости электропроводности образцов полученного материала в сухой и влажной атмосферах от концентрации допанта (х) при температуре 450 °С в сравнении с материалом BaLa2In2O7. На фиг. 7 представлены температурные зависимости протонной проводимости образцов полученного материала в сравнении с материалом BaLa2In2O7. На фиг.8 представлены зависимости протонной проводимости образцов полученного материала от концентрации допанта (х) при температурах 350 °С, 400 °С, 500 °С.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 - 3 shows the X-ray diffraction patterns of samples of the resulting material composition BaLa 2 - x Sr x In 2 O 7 - 0.5 x (x = 0.1, 0.15, 0.20). The composition of samples of the studied material is presented in the table. In FIG. Figures 4 and 5 show the temperature dependences of the electrical conductivity of samples of the obtained material in comparison with the BaLa 2 In 2 O 7 material in dry (pH 2 O = 3.5⋅10 −5 atm) and humid (pH 2 O = 2⋅10 −2 atm) air, respectively. . Figure 6 shows the dependences of the electrical conductivity of samples of the obtained material in dry and humid atmospheres on the concentration of the dopant (x) at a temperature of 450 ° C in comparison with the material BaLa 2 In 2 O 7 . In FIG. Figure 7 shows the temperature dependences of the proton conductivity of samples of the obtained material in comparison with the material BaLa 2 In 2 O 7 . Figure 8 shows the dependences of the proton conductivity of the samples of the obtained material on the concentration of the dopant (x) at temperatures of 350 °C, 400 °C, 500 °C.
Материал BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20) 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 образцов полученного материала состава BaLa1.9Sr0.1In2O6.95 (Фиг.1), BaLa1.85Sr0.15In2O6.925 (Фиг. 2), BaLa1.8Sr0.2In2O6.9 (Фиг. 3), 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 BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20) является однофазным и характеризуется тетрагональной симметрией.Material BaLa 2 – x Sr x In 2 O 7 – 0.5 x (x = 0.1, 0.15, 0.20) 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]. X-ray phase analysis of samples of the obtained material composition BaLa 1.9 Sr 0.1 In 2 O 6.95 (Fig. 1), BaLa 1.85 Sr 0.15 In 2 O 6.925 (Fig. 2), BaLa 1.8 Sr 0.2 In 2 O 6.9 (Fig. 3), on diffractometer Bruker Advance D8 in CuKα radiation at a tube voltage of 40 kV and a current of 40 mA. The survey 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 BaLa 2 – х Sr х In 2 O 7–0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20) is single-phase and is characterized by tetragonal symmetry.
Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала 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.4 и 5 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 BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20) выше, чем для материала BaLa2In2O7. С ростом концентрации допанта (х) наблюдается увеличение значений электропроводности, как в сухой, так и во влажной атмосферах (фиг. 6).Impedance spectroscopy on an Impendancemeter Elins Z-1000P instrument was used to determine the electrical conductivity of the obtained material in the temperature range from 300°C to 900°C, in the frequency range of 1 Hz–1 MHz, and in air (pO 2 = 0.21 atm) and argon (pO 2 = 10 -5 atm). The measurement results are shown in figures 4 and 5 in dry (pH 2 O = 3.5⋅10 −5 atm) and wet (pH 2 O = 2⋅10 −2 atm) atmospheres, respectively. The data demonstrate high electrical conductivity values in the studied temperature range, which are higher for the BaLa 2 – x Sr x In 2 O 7 – 0.5 x (x = 0.1, 0.15, 0.20) material than for the BaLa 2 In 2 O 7 material. With an increase in the dopant concentration (x), an increase in the electrical conductivity values is observed both in dry and humid atmospheres (Fig. 6).
Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости полученного материала BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20), а также зависимости протонной проводимости от концентрации допанта (х) представлены на фиг. 7 и фиг. 8 соответственно. В таблице представлены значения протонной проводимости полученного материала при 400 °C, из которой видно, что величина протонной проводимости материала BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х (х = 0.1, 0.15, 0.20) выше величины проводимости материала BaLa2In2O7.The proton conductivity values were obtained as the difference between the electrical conductivity values in wet and dry argon atmospheres at the same temperature. The temperature dependences of the proton conductivity of the resulting BaLa 2 – x Sr x In 2 O 7 – 0.5 x (x = 0.1, 0.15, 0.20) material, as well as the dependences of the proton conductivity on the dopant concentration (x), are shown in Figs. 7 and FIG. 8 respectively. The table shows the values of the proton conductivity of the obtained material at 400 °C, from which it can be seen that the value of the proton conductivity of the material BaLa 2 – x Sr x In 2 O 7 – 0.5x (x = 0.1, 0.15, 0.20) is higher than the value of the conductivity of the material BaLa 2 In 2 O 7 .
Таким образом, получен новый твердооксидный электролитный материал на основе индата бария-лантана с повышенной протонной проводимостью, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.Thus, a new solid oxide electrolyte material based on barium-lanthanum indate with increased proton conductivity has been obtained, which can be used as an electrolyte in a solid oxide fuel cell.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777335C1 true RU2777335C1 (en) | 2022-08-02 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806785C1 (en) * | 2023-04-07 | 2023-11-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND MAGNESIUM |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2125324C1 (en) * | 1996-11-11 | 1999-01-20 | Горина Лилия Федоровна | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
| RU2172543C2 (en) * | 1995-11-14 | 2001-08-20 | Зтек Копэрейшн | High-temperature electrochemical converter for hydrocarbon fuel (alternatives) and set of solid oxide base fuel elements for direct conversion of hydrocarbon-fuel chemical energy into electrical energy |
| JP2004018573A (en) * | 2002-06-13 | 2004-01-22 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | Proton-conducting polymer membrane |
| KR20070062925A (en) * | 2005-12-13 | 2007-06-18 | 가부시끼가이샤 도시바 | Electrolyte membrane, electrode, and fuel cell |
| JP2008155111A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Univ Of Tokyo | Acid resistant electrode catalyst |
| RU2422947C2 (en) * | 2005-08-01 | 2011-06-27 | Брукхейвен Сайенс Эссоушиитс | Electrocatalyst for reducing oxygen, fuel cell containing electrocatalyst and method of generating electrical energy |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2172543C2 (en) * | 1995-11-14 | 2001-08-20 | Зтек Копэрейшн | High-temperature electrochemical converter for hydrocarbon fuel (alternatives) and set of solid oxide base fuel elements for direct conversion of hydrocarbon-fuel chemical energy into electrical energy |
| RU2125324C1 (en) * | 1996-11-11 | 1999-01-20 | Горина Лилия Федоровна | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
| JP2004018573A (en) * | 2002-06-13 | 2004-01-22 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | Proton-conducting polymer membrane |
| RU2422947C2 (en) * | 2005-08-01 | 2011-06-27 | Брукхейвен Сайенс Эссоушиитс | Electrocatalyst for reducing oxygen, fuel cell containing electrocatalyst and method of generating electrical energy |
| KR20070062925A (en) * | 2005-12-13 | 2007-06-18 | 가부시끼가이샤 도시바 | Electrolyte membrane, electrode, and fuel cell |
| JP2008155111A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Univ Of Tokyo | Acid resistant electrode catalyst |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806785C1 (en) * | 2023-04-07 | 2023-11-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND MAGNESIUM |
| RU2807675C1 (en) * | 2023-08-22 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium aluminum indate |
| RU2823799C1 (en) * | 2024-02-28 | 2024-07-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium stannate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kharton et al. | Materials of high-temperature electrochemical oxygen membranes | |
| Iwahara et al. | Effect of ionic radii of dopants on mixed ionic conduction (H++ O2−) in BaCeO3-based electrolytes | |
| Iwahara et al. | Proton conduction in sintered oxides based on BaCeO3 | |
| Farlenkov et al. | Local disorder and water uptake in La1–xSrxScO3–δ | |
| 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 | |
| Lesnichyova et al. | Proton conductivity and mobility in Sr-doped LaScO3 perovskites | |
| Luo et al. | Electrical properties and chemical stability of Br addition in BaCe0. 8Gd0. 2O3-α proton-conducting electrolyte | |
| RU2777335C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate | |
| Han et al. | La 2 (Nb 1− x Y x) 2 O 7− δ: discovery of a novel fluorite structure-based ionic conductor | |
| RU2788361C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate | |
| RU2794192C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate | |
| RU2791726C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on neodymium barium indate | |
| Miyazaki et al. | La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3− δ–Ba (Ce, Co, Y) O3− δ composite cathodes for proton-conducting ceramic fuel cells | |
| RU2807442C1 (en) | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND CALCIUM | |
| RU2800973C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on yttrium-doped barium-lanthanum indate | |
| Hu et al. | Interfacial Polarization Characteristics of Pt| BaCe0. 8Gd0. 2 O 3| Pt Cells at Intermediate Temperatures | |
| RU2806785C1 (en) | SOLID OXIDE ELECTROLYTE MATERIAL WITH PROTON CONDUCTIVITY BASED ON BARIUM-LANTHANUM INDATE BaLa2In2O7 DOPED WITH STRONTIUM AND MAGNESIUM | |
| 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 | |
| RU2781270C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity | |
| RU2800229C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on praseodymium-substituted barium-lanthanum indate | |
| RU2825430C1 (en) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on samarium-substituted barium-lanthanum indate | |
| Han et al. | Selecting the best dopant sites in proton-conducting pyrochlore oxides (La 2 (Nb 1− x Y x) 2 O 7− δ) by probing hydration-induced local distortion | |
| 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 |