Изотопный обмен и дефектная структура оксидов Ананьев, Максим Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы. Электрохимические устройства (твердо-оксидные топливные элементы, катализаторы дожигания топлива, кислородные мембраны, СОг-лазеры и др.) с каждым годом все более широко входят в практику Кинетика взаимодействия электрохимических материалов с кислородом газовой фазы в значительной степени определяет основные параметры работы электрохимических устройств на основе твердо-оксидных электролитов, поэтому исследование кинетики обмена кислорода газовой фазы с оксидами является актуальной задачей.

Исследования электродных процессов в системе

газ—электролит—электрод показывают их многостадийность [1]. Изучение кинетики взаимодействия оксидов с кислородом газовой фазы методом изотопного обмена позволяет получить важную информацию о характере связи кислорода на поверхности оксида и возможном механизме протекающих процессов. Существующие в литературе сведения по интересующей нас проблеме ограничены и противоречивы. Сопоставление данных различных методик, полученных на образцах различной природы, в результате приводит к затруднениям при выводе общих закономерностей процессов, протекающих на границе газовой фазы и изучаемого оксидного материала или в электрохимической системе электрод—электролит.

Практически все перспективные оксидные материалы являются нестехиометрическими, поэтому при анализе кинетики их взаимодействия с кислородом газовой фазы необходимо учитывать природу образования дефектов в исследуемых оксидах.

В работе поставлена задача систематического изучения кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы с рядом оксидов, с учетом природы образования в них точечных дефектов, для выявления общих закономерностей влияния разупорядочения кислородной подрешетки на кинетику обмена кислорода.

Цель работы: определить влияние дефектной структуры на кинетику взаимодействия кислорода газовой фазы с оксидами , CaZri__xSc_x0₃-_x/₂-5, Lai__xSr_xCo0₃-5, GdBaCo₂-xFe_x0₆-s, , Lao.8oSro.2oGao.85-xMgo.i₅Co_x02.825+x/2-5- Под дефектной структурой оксидов будем понимать природу образования точечных дефектов и их равновесия в зависимости от температуры, газовой атмосферы и химического состава исследуемых оксидов.

Особенностью дефектной структуры ряда электролитов Cei__xGd_x0₂__x/2-8 является практически неизменное содержание кислорода в диапазоне давлений -52/Po₂)<0, так что концентрация вакансий кислорода оксидов Cei__xGd_x0₂__x/2-5 задается содержанием акцепторной примеси гадолиния в подрешетке церия.

Введение кобальта в Lao.8oSro.2oGao.85-xMgo.i₅Co_x02.825+x/2-s приводит к уменьшению концентрации вакансий кислорода и увеличению концентрации электронных дефектов, что позволяет на примере этой системы рассмотреть влияние электронной составляющей проводимости на кинетику обмена кислорода.

Оксиды CaZri__xSc_x03-_x/2-5 со смешанной кислород-ионной и электронной проводимостью не содержат элементов, меняющих свою степень окисления. Этот факт позволяет полагать, что в исследованном диапазоне температур и давлений кислорода содержание вакансий кислорода оксидов CaZri__xSc_x0₃-_x/2-s определяется концентрацией акцепторной примеси скандия.

Содержание кислорода в оксидах Lai__xSr_xCo0₃-s существенно меняется в зависимости от концентрации акцепторной примеси, температуры и давления кислорода за счет изменения степени окисления кобальта.

Оксиды со структурой двойного перовскита GdBaCo2-_xFe_x06-5 являются хорошими «модельными» объектами, поскольку содержание кислорода в них значительно изменяется в зависимости от температуры и давления кислорода.

В работе решены следующие задачи:

1. Методом изотопного обмена с анализом газовой фазы исследована
кинетика взаимодействия кислорода газовой фазы со следующими
оксидами:

а) .90-5 ^ПР^И давлении кислорода 2-10 Торр в интервале температур 700-800С;

б) И Lao.8oSro.2oGao.85-xMgo.l₅Co_x02.825+x/2-5 (х =

0.05, 0.15, 0.20, 0.25) в интервале температур 600-900С при давлении кислорода 5 Торр;

в) CaZri__xSc_x0₃-_x/2-5 для х = 0, 0.05 в интервале температур 700-850С и
давлений кислорода 1-50 Торр;

г) Lai__xSr_xCo0₃_5 (х = 0, 0.3, 0.4, 0.6) при давлении 5 Торр в интервале
температур 600-850С и при температуре 700С в интервале давлений
1-70 Торр;

д) GdBaCo2-_xFe_x06-5 (х ⁼ 0, 0.2) в интервале давлений кислорода 1-50
Торр и температур 600-850С.

1. Исследована кристаллическая структура и граница растворимости скандия в оксидах CaZri__xSc_x0₃__x/2-5 (х = 0, 0.01, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20).

2. Проведен анализ механизма обмена кислорода с оксидами: Cei__xGd_x0₂-_x/₂-5, CaZri__xSc_x0₃__x/2_5, Lai__xSr_xCo0₃_₅, GdBaCo₂-_xFe_x0₆-5 и

Lao.8oSr₀.2oGao.85-xMgo.i5Co_x02.825+x/2-5-

Научная новизна:

1. Впервые получены зависимости скорости межфазного обмена (Н), коэффициента диффузии кислорода (D), вкладов трех типов обмена

(Х_ь Х₂, Х₃) от температуры и давления кислорода для .90-5,

, Lao.8oSr₀.2oGao.85-xMgo.i5Co_x02.825+x/2-5 (х = 0.05,

0.15, 0.20, 0.25), Lai__xSr_xCo0₃_₅ (х = 0, 0.3, 0.4, 0.6), CaZri__xSc_x0₃__x/2-5 (jc = 0, 0.05) и GdBaC02-*Fe_x0₆-5 (х = 0, 0.2).

3. Уточнена кристаллическая структура и определена граница растворимости скандия в оксидах CaZri__xSc_x03-_x/2-s (х ⁼ 0-0.20).

4. Впервые предложен способ анализа кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы с оксидами с привлечением данных по кислородной нестехиометрии исследуемых систем.

5. Определены лимитирующие стадии обмена кислорода с исследованными оксидами.

6. Установлены закономерности изменения скорости межфазного обмена, коэффициента диффузии кислорода и вкладов трех типов обмена в зависимости от содержания кислорода в исследованных оксидах.

Практическая ценность:

1. Результаты исследования кинетики взаимодействия исследованных оксидов с кислородом газовой фазы необходимы при выборе оптимального химического состава, условий получения и эксплуатации материалов на основе исследованных оксидов для создания функциональных частей современных электрохимических устройств.

2. Установленные лимитирующие стадии обмена кислорода и параметры, характеризующие перенос кислорода в исследованных системах, носят фундаментальный характер и могут быть использованы как справочные данные в научно-исследовательской деятельности организаций, занимающихся усовершенствованием и разработкой технологических процессов и устройств с использованием исследуемых материалов.

3. Разработано программное обеспечение для анализа изображений растровой электронной микроскопии и реконструкции 3D-микроструктуры, необходимое при проектировании конструкционных частей современных электрохимических устройств.

4. Разработаны программные средства для анализа данных метода изотопного обмена, релаксации массы и давления [2].

На защиту выносятся:

5. Зависимости скорости межфазного обмена, коэффициента диффузии кислорода, вкладов трех типов обмена от температуры и давления кислорода для оксидов Ce₀.8oGdo.2oOi.₉o-s, и Lao.8oSro.2oGao.85-xMgo.i₅Co_x02.825+x/2-5 (х = 0.05, 0.15, 0.20, 0.25), Lai__xSr_xCo0₃_₅ (х = 0, 0.3, 0.4, 0.6), CaZr^Sc/V^-s (х = 0, 0.05) и GdBaCo₂-,Fe_x0₆_₅ (х = 0, 0.2).

6. Параметры кристаллической структуры и граница растворимости скандия в оксидах CaZri__xSc_x0₃__x/2-₅ (х = 0, 0.01, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20).

7. Предложенные механизмы обмена кислорода газовой фазы с исследованными оксидами.

8. Взаимосвязь концентрации кислорода в исследованных оксидах со скоростью обмена, коэффициентом диффузии и вкладами трех типов обмена кислорода.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 39 тезисов докладов на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах и совещаниях различного уровня.

Апробация. Результаты работы доложены и обсуждены на международном семинаре «Изображения ТОТЭ», Брюссель, Бельгия, 2010 (International Workshop «Image-SOFC», Brussels, Belgium, 2010); 10-ом международном совещании «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», Черноголовка, 2010; 9-ом международном Фрумкинском симпозиуме «Материалы и технологии электрохимии 21 века», Москва, 2010; 15-ом европейском форуме по топливным элементам, Люцерн, Швейцария, 2011 (15 European Fuel Cell Forum, Lucerne, Switzerland, 2011); 18-ой международной конференции «Ионика твердого тела», Варшава, Польша, 2011 (18^th International Conference on Solid State Ionics, Warsaw, Poland, 2011).

Личный вклад автора:

Постановка задачи, выбор объектов исследования, совершенствование экспериментальной установки, разработка программного обеспечения для математической обработки экспериментальных данных, синтез оксидов Lai__xSr_xCo0₃_5, CaZri__xSc_x0₃-_x/2-s, проведение большинства экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ механизма обмена исследуемых оксидов и обобщение результатов.

Образцы оксида .90-5 предоставлены н. с. ИВТЭ УрО РАН к. х. н. Балакиревой В. Б. Образцы оксидов и Lao.8oSro.2oGao.85-xMgo.i₅Co_x02.825+x/2-5 предоставлены зав. лаб. кинетики ИВТЭ УрО РАН д. х. н. Брониным Д. И. Дифрактограммы исследуемых оксидов получены н. с. ИВТЭ УрО РАН к. х. н. Плаксиным С. В. Измерения удельной поверхности и гранулометрический анализ исследуемых оксидов проведены инженером ИВТЭ УрО РАН Поротниковой Н. М. Измерения электропроводности оксидов Lao.8oSr₀.2oGao.85-xMgo.i₅Co_x02.825+x/2-s проведены н. с. ИВТЭ УрО РАН к. х. н. Осинкиным Д. А. Синтез оксидов GdBaCo2-_xFe_x06-5 и исследование кислородной нестехиометрии проведены к. х. н. Цветковым Д. С. в Институте естественных наук УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. Измерения методом релаксации электропроводности оксида GdBaCo₂06_5 выполнены м. н. с. ИХТТМ СО РАН Охлупиным Ю. С. (Новосибирск). Съемка микрофотографий методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) проведена н. с. ИВТЭ УрО РАН Панкратовым А. А. Разработку программного обеспечения для анализа изображений РЭМ проводили в сотрудничестве с н. с. ИММ УрО РАН, к. ф.-м. н. Гаврилюком А. Л.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка литературы из 212 наименований. Материал изложен на 194 страницах, работа содержит 16 таблиц, 63 рисунка.

Похожие диссертации на Изотопный обмен и дефектная структура оксидов

Новые тугоплавкие сложные оксиды со структурами шпинели, сфера и псевдобрукита: синтез, структура, свойстваГригорян Рудик Амазаспович

Анализ дефектов в структурах гидроксидов и оксидов алюминия на основе рентгенографических данныхШефер Кристина Ивановна

Низкосимметричные висмутсодержащие сложные оксиды с колончатой структурой: синтез, строение, свойстваМихайловская, Зоя Алексеевна

Синтез и физико-химические свойства соединений с перовскитной и перовскитоподобной структурой на основе оксидов кобальта и никеляВашук, Владимир Васильевич

Физико-химическое исследование структуры целлюлозы, модифицированной оксидом азота (IV) и его растворами Шишонок Маргарита Валентиновна

Рентгеноструктурный анализ нанокристаллов: развитие методов и структура метастабильных состояний в оксидах металлов нестехиометрического состава Цыбуля Сергей Васильевич

Фазовые равновесия, кристаллическая, дефектная структура и электротранспортные свойства оксидов в системе La-Sr-Fe-Ni-OКиселев Евгений Александрович

Структура и свойства сложных оксидов никеля и молибдена, получаемых в условиях механической активацииКняжева, Ольга Алексеевна

Поверхность, влияние давления на структуру, электронные и тепловые свойства оксидов, пероксидов щелочных металловАлейникова, Марина Викторовна

Фазовые равновесия, кристаллическая структура и кислородная нестехиометрия сложных оксидов в системах La-Sr-Co-Me-O (Me = Fe, Ni)Аксёнова Татьяна Владимировна