Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije
Апстракт
Predmet ove doktorske disertacije je ispitivanje uticaja različitih količina Nb5+ i Ta5+ na hemijsku stabilnost, mikrostrukturna i električna svojstva BaCe0,9Y0,1O3–δ perovskitne strukture, kao elektrolita za gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Pored toga, izvršeno je poređenje dve različite metode sinteze keramičkih prahova kod uzoraka dopiranih sa Nb5+. Prahovi BaCe0,9–xMxY0,1O3–δ, pri čemu je M = {Nb; Ta}, a x = {0,01; 0,03; 0,05}, sintetisani su klasičnim postupkom reakcije u čvrstom stanju. Na osnovu rezultata diferencijalne skenirajuće kalorimetrije i termogravimetrijske analize utvrđeno je da se reakcija u čvrstom stanju odvija već na 1000 °C. To je potvrđeno rendgenskom difrakcijom na prahu uzoraka koji su dobijeni žarenjem na 1000 °C u toku 5 h, kada je uočeno samo prisustvo perovskitne faze. Uzorci BaCe0,9–xNbxY0,1O3–δ, sa istim sadržajem Nb kao u prethodnom slučaju, sintetisani su i postupkom reakcije samosagorevanja. Na osnovu izračunatih vrednosti kristalografs...kih parametara uočeno je da se zapremina jedinične kristalne ćelije smanjuje sa porastom koncentracije dopanata, kao i da je veličina kristalita veća kod uzoraka sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Veći stepen aglomeracije prahova dobijenih metodom reakcije u čvrstom stanju je potvrđen i skenirajućom elektronskom mikroskopijom visoke rezolucije. Takođe, BET analizom se pokazalo da mnogo veću specifičnu površinu postižu prahovi sintetisani metodom reakcije samosagorevanja. Neporozni elektroliti su dobijeni sinterovanjem uniaksijalno presovanih keramičkih prahova na 1550 °C u toku 5 h. Mikrostrukture elektrolita su ispitane skenirajućom elektronskom mikroskopijom, i uočeno je da veličina zrna blago opada sa povećanjem koncentracije dopanata. Osim toga, elektroliti sintetisani metodom reakcije samosagorevanja pokazuju nešto veću srednju veličinu zrna u odnosu na uzorke istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Električna karakterizacija sinterovanih uzoraka je izvršena elektrohemijskom impedansnom analizom u temperaturnom intervalu od 550–750 °C u atmosferama vlažnog.vlažnog argona i suvog argona. U tom temperaturnom intervalu nije bilo moguće
razdvojiti doprinose granice zrna i unutrašnjosti zrna ukupnoj provodljivosti elektrolita.
Ukupna provodljivost u svim atmosferama je opadala sa snižavanjem temperature i sa
porastom koncentracije dopanata, a najveća provodljivost u vlažnom vodoniku je posledica
najveće koncentracije protona u toj sredini. Utvrđena je dobra korelacija između
mikrostrukture i provodljivosti, jer se provodljivost smanjivala sa smanjenjem prosečne
veličine zrna kod uzoraka istog sastava. Najniže provodljivosti su dobijene u atmosferi
suvog argona, ali dovoljno visoke da se zaključi da dopirani BaCe0,9Y0,1O3−δ spada u klasu
mešovitih jonskih provodnika, koji ispoljavaju kako protonsku, tako i provodljivost
kiseoničnih jona i elektronskih šupljina.
Hemijska stabilnost elektrolita je ispitana izlaganjem uzoraka atmosferi CO2 na
700 °C u toku 5 h. Promene u strukturi praćene su rendgenskom difrakcionom analizom,
pri čemu je utvrđeno da se postojanost elektrolita na uticaj CO2 povećava sa
koncentracijom dopanata.
Naelektrisanje, veličina katjona i elektronegativnost dopanata najviše utiču na
svojstva BaCe0,9Y0,1O3−δ. i ove vrednosti su približno iste za Ta i Nb. Stoga se ne primećuju
značajne razlike u njihovom uticaju na svojstva elektrolita. Oni faktori koji povećavaju
stabilnost elektrolita na uticaj CO2 smanjuju njegovu provodljivost, tako da se
koncentracija dopanata od 3 mol% može smatrati optimalnom, jer takvi elektroliti poseduju
kako zadovoljavajuće provodljivosti, tako i značajnu stabilnost na uticaj CO2. Kada je reč o
metodama sinteze, prednost postupka samosagorevanja je u tome što se dobijaju elektroliti
boljih karakteristika, na šta pre svega ukazuje povećanje provodljivosti između 10% i 15%
u odnosu na elektrolite istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju.
Кључне речи:
perovskitna struktura / protonska provodljivost / gorivne ćelije / sinterovanjeИзвор:
Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet, 2014Издавач:
- Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet
Финансирање / пројекти:
- 0-3D наноструктуре за примену у електроници и обновљивим изворима енергије: синтеза, карактеризација и процесирање (RS-MESTD-Integrated and Interdisciplinary Research (IIR or III)-45007)
Институција/група
Institut za multidisciplinarna istraživanjaTY - THES AU - Radojković, Aleksandar PY - 2014 UR - http://rimsi.imsi.bg.ac.rs/handle/123456789/2381 AB - Predmet ove doktorske disertacije je ispitivanje uticaja različitih količina Nb5+ i Ta5+ na hemijsku stabilnost, mikrostrukturna i električna svojstva BaCe0,9Y0,1O3–δ perovskitne strukture, kao elektrolita za gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Pored toga, izvršeno je poređenje dve različite metode sinteze keramičkih prahova kod uzoraka dopiranih sa Nb5+. Prahovi BaCe0,9–xMxY0,1O3–δ, pri čemu je M = {Nb; Ta}, a x = {0,01; 0,03; 0,05}, sintetisani su klasičnim postupkom reakcije u čvrstom stanju. Na osnovu rezultata diferencijalne skenirajuće kalorimetrije i termogravimetrijske analize utvrđeno je da se reakcija u čvrstom stanju odvija već na 1000 °C. To je potvrđeno rendgenskom difrakcijom na prahu uzoraka koji su dobijeni žarenjem na 1000 °C u toku 5 h, kada je uočeno samo prisustvo perovskitne faze. Uzorci BaCe0,9–xNbxY0,1O3–δ, sa istim sadržajem Nb kao u prethodnom slučaju, sintetisani su i postupkom reakcije samosagorevanja. Na osnovu izračunatih vrednosti kristalografskih parametara uočeno je da se zapremina jedinične kristalne ćelije smanjuje sa porastom koncentracije dopanata, kao i da je veličina kristalita veća kod uzoraka sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Veći stepen aglomeracije prahova dobijenih metodom reakcije u čvrstom stanju je potvrđen i skenirajućom elektronskom mikroskopijom visoke rezolucije. Takođe, BET analizom se pokazalo da mnogo veću specifičnu površinu postižu prahovi sintetisani metodom reakcije samosagorevanja. Neporozni elektroliti su dobijeni sinterovanjem uniaksijalno presovanih keramičkih prahova na 1550 °C u toku 5 h. Mikrostrukture elektrolita su ispitane skenirajućom elektronskom mikroskopijom, i uočeno je da veličina zrna blago opada sa povećanjem koncentracije dopanata. Osim toga, elektroliti sintetisani metodom reakcije samosagorevanja pokazuju nešto veću srednju veličinu zrna u odnosu na uzorke istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Električna karakterizacija sinterovanih uzoraka je izvršena elektrohemijskom impedansnom analizom u temperaturnom intervalu od 550–750 °C u atmosferama vlažnog.vlažnog argona i suvog argona. U tom temperaturnom intervalu nije bilo moguće razdvojiti doprinose granice zrna i unutrašnjosti zrna ukupnoj provodljivosti elektrolita. Ukupna provodljivost u svim atmosferama je opadala sa snižavanjem temperature i sa porastom koncentracije dopanata, a najveća provodljivost u vlažnom vodoniku je posledica najveće koncentracije protona u toj sredini. Utvrđena je dobra korelacija između mikrostrukture i provodljivosti, jer se provodljivost smanjivala sa smanjenjem prosečne veličine zrna kod uzoraka istog sastava. Najniže provodljivosti su dobijene u atmosferi suvog argona, ali dovoljno visoke da se zaključi da dopirani BaCe0,9Y0,1O3−δ spada u klasu mešovitih jonskih provodnika, koji ispoljavaju kako protonsku, tako i provodljivost kiseoničnih jona i elektronskih šupljina. Hemijska stabilnost elektrolita je ispitana izlaganjem uzoraka atmosferi CO2 na 700 °C u toku 5 h. Promene u strukturi praćene su rendgenskom difrakcionom analizom, pri čemu je utvrđeno da se postojanost elektrolita na uticaj CO2 povećava sa koncentracijom dopanata. Naelektrisanje, veličina katjona i elektronegativnost dopanata najviše utiču na svojstva BaCe0,9Y0,1O3−δ. i ove vrednosti su približno iste za Ta i Nb. Stoga se ne primećuju značajne razlike u njihovom uticaju na svojstva elektrolita. Oni faktori koji povećavaju stabilnost elektrolita na uticaj CO2 smanjuju njegovu provodljivost, tako da se koncentracija dopanata od 3 mol% može smatrati optimalnom, jer takvi elektroliti poseduju kako zadovoljavajuće provodljivosti, tako i značajnu stabilnost na uticaj CO2. Kada je reč o metodama sinteze, prednost postupka samosagorevanja je u tome što se dobijaju elektroliti boljih karakteristika, na šta pre svega ukazuje povećanje provodljivosti između 10% i 15% u odnosu na elektrolite istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. PB - Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet T2 - Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet T1 - Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije UR - https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_rimsi_2381 ER -
@phdthesis{ author = "Radojković, Aleksandar", year = "2014", abstract = "Predmet ove doktorske disertacije je ispitivanje uticaja različitih količina Nb5+ i Ta5+ na hemijsku stabilnost, mikrostrukturna i električna svojstva BaCe0,9Y0,1O3–δ perovskitne strukture, kao elektrolita za gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Pored toga, izvršeno je poređenje dve različite metode sinteze keramičkih prahova kod uzoraka dopiranih sa Nb5+. Prahovi BaCe0,9–xMxY0,1O3–δ, pri čemu je M = {Nb; Ta}, a x = {0,01; 0,03; 0,05}, sintetisani su klasičnim postupkom reakcije u čvrstom stanju. Na osnovu rezultata diferencijalne skenirajuće kalorimetrije i termogravimetrijske analize utvrđeno je da se reakcija u čvrstom stanju odvija već na 1000 °C. To je potvrđeno rendgenskom difrakcijom na prahu uzoraka koji su dobijeni žarenjem na 1000 °C u toku 5 h, kada je uočeno samo prisustvo perovskitne faze. Uzorci BaCe0,9–xNbxY0,1O3–δ, sa istim sadržajem Nb kao u prethodnom slučaju, sintetisani su i postupkom reakcije samosagorevanja. Na osnovu izračunatih vrednosti kristalografskih parametara uočeno je da se zapremina jedinične kristalne ćelije smanjuje sa porastom koncentracije dopanata, kao i da je veličina kristalita veća kod uzoraka sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Veći stepen aglomeracije prahova dobijenih metodom reakcije u čvrstom stanju je potvrđen i skenirajućom elektronskom mikroskopijom visoke rezolucije. Takođe, BET analizom se pokazalo da mnogo veću specifičnu površinu postižu prahovi sintetisani metodom reakcije samosagorevanja. Neporozni elektroliti su dobijeni sinterovanjem uniaksijalno presovanih keramičkih prahova na 1550 °C u toku 5 h. Mikrostrukture elektrolita su ispitane skenirajućom elektronskom mikroskopijom, i uočeno je da veličina zrna blago opada sa povećanjem koncentracije dopanata. Osim toga, elektroliti sintetisani metodom reakcije samosagorevanja pokazuju nešto veću srednju veličinu zrna u odnosu na uzorke istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju. Električna karakterizacija sinterovanih uzoraka je izvršena elektrohemijskom impedansnom analizom u temperaturnom intervalu od 550–750 °C u atmosferama vlažnog.vlažnog argona i suvog argona. U tom temperaturnom intervalu nije bilo moguće razdvojiti doprinose granice zrna i unutrašnjosti zrna ukupnoj provodljivosti elektrolita. Ukupna provodljivost u svim atmosferama je opadala sa snižavanjem temperature i sa porastom koncentracije dopanata, a najveća provodljivost u vlažnom vodoniku je posledica najveće koncentracije protona u toj sredini. Utvrđena je dobra korelacija između mikrostrukture i provodljivosti, jer se provodljivost smanjivala sa smanjenjem prosečne veličine zrna kod uzoraka istog sastava. Najniže provodljivosti su dobijene u atmosferi suvog argona, ali dovoljno visoke da se zaključi da dopirani BaCe0,9Y0,1O3−δ spada u klasu mešovitih jonskih provodnika, koji ispoljavaju kako protonsku, tako i provodljivost kiseoničnih jona i elektronskih šupljina. Hemijska stabilnost elektrolita je ispitana izlaganjem uzoraka atmosferi CO2 na 700 °C u toku 5 h. Promene u strukturi praćene su rendgenskom difrakcionom analizom, pri čemu je utvrđeno da se postojanost elektrolita na uticaj CO2 povećava sa koncentracijom dopanata. Naelektrisanje, veličina katjona i elektronegativnost dopanata najviše utiču na svojstva BaCe0,9Y0,1O3−δ. i ove vrednosti su približno iste za Ta i Nb. Stoga se ne primećuju značajne razlike u njihovom uticaju na svojstva elektrolita. Oni faktori koji povećavaju stabilnost elektrolita na uticaj CO2 smanjuju njegovu provodljivost, tako da se koncentracija dopanata od 3 mol% može smatrati optimalnom, jer takvi elektroliti poseduju kako zadovoljavajuće provodljivosti, tako i značajnu stabilnost na uticaj CO2. Kada je reč o metodama sinteze, prednost postupka samosagorevanja je u tome što se dobijaju elektroliti boljih karakteristika, na šta pre svega ukazuje povećanje provodljivosti između 10% i 15% u odnosu na elektrolite istog sastava sintetisanih metodom reakcije u čvrstom stanju.", publisher = "Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet", journal = "Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet", title = "Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije", url = "https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_rimsi_2381" }
Radojković, A.. (2014). Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije. in Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet.. https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_rimsi_2381
Radojković A. Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije. in Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet. 2014;. https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_rimsi_2381 .
Radojković, Aleksandar, "Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije" in Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet (2014), https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_rimsi_2381 .