Svojstva visokotemperaturnih protonskih provodnika na bazi barijum-cerijum-indijum-oksida

Abstract

U okviru ove doktorske disertacije je ispitan uticaj koncentracije dopanta na svojstva BaCe1−xInxO3–δ (BCI, x = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35 i 0,40) kao protonskog provodnika. Struktura i fazni sastav sintetisanih prahova dobijenih metodom samosagorevanja su utvrđeni rendgenskom difrakcionom analizom, pri čemu je pokazano da prahovi sa ≥ 25 % (mol.) indijuma sadrže In2O3 kao sekundarnu fazu. Optimizacijom postupka sinterovanja je utvrđeno da je termički tretman na 1300 °C tokom 5 h optimalan za dobijanje guste neporozne keramike (98 % teorijske vrednosti). Mikrostruktura je analizirana skanirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). Povećanje temperature sinterovanja dovodi do nastanka većih zrna, dok povećanje koncentracije indijuma do 25 % (mol.) dovodi do porasta zrna, a iznad te koncentracije nema daljeg uticaja na veličinu zrna. Izlaganjem sinterovanog uzorka atmosferi CO2 tokom 5 h na 700 °C je pokazano da indijum u potpunosti suzbija degradaciju BaCeO3 već u koncentraciji od 15 % (mol.). Električnim merenjima u atmosferi vlažnog vodonika je utvrđeno da maksimalna ukupna provodljivost iznosi 5 × 10−3 S cm–1 na 700 °C za uzorak BaCe0,75In0,25O3–δ (BCI25), zbog čega je ovaj materijal odabran kao najbolji kandidat za elektrolit gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Dobijena gorivna ćelija Ni-BaCe0,75In0,25O3−δ║BaCe0,75In0,25O3−δ║LSCF-BaCe0,75In0,25O3−δ (LSCF = lantan-stroncijum-kobalt-gvožđe-oksid, La0,8Sr0,2Co0,8Fe0,2O3) je pokazala maksimalnu gustinu izlazne snage od 264 mW cm–2 na 700 °C, koristeći vlažan vodonik kao gorivo. Ovakav rezultat ukazuje na stabilnost i funkcionalnost BCI25 kao elektrolita za gorivne ćelije. Ispitivanjem električnih svojstava BCI25 u atmosferama različitog sastava je uočeno da dolazi do brze promene impedanse prilikom promene parcijalnog pritiska vodene pare, što čini ovaj materijal pogodnim za primenu kao visokotemperaturnog senzora vodene pare. Senzorska svojstva BCI25 u vidu poroznog filma i sinterovane keramike su ispitana u temperaturnom opsegu 250 °C – 700 °C. Film debljine 30 μm, napravljen od praha kalcinisanog na 1050 °C, je pokazao osetljivost uporedivu sa osetljivošću sinterovanog uzorka, ali sa značajno kraćim vremenom odziva i oporavka. Pokazalo se da je najbolja osetljivost senzora na temperaturi od 500 °C. Osetljivost filma se postepeno smanjivala sa smanjenjem parcijalnog pritiska vodene pare pH2O, ali je bila značajna i pri parcijalnom pritisku vodene pare od 200 Pa. Pad provodljivosti je zavisio logaritamski od parcijalnog pritiska vodene pare sa nagibom od 0,52 što je blisko tipičnoj vrednosti za protonski tip provođenja u tom temperaturnom opsegu. Posle nekoliko ciklusa, test ponovne upotrebe je pokazao skoro nepromenjen odnos između impedanse u suvoj i vlažnoj atmosferi (pH2O = 2,34 kPa), što je ukazalo na dobru stabilnost i osetljivost BCI25 kao potencijalnog visokotemperaturnog senzora vodene pare.