Svojstva keramike na bazi barijum-cerijum-itrijum-oksida kao elektrolita za čvrste gorivne ćelije

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.