Структура и электротранспортные свойства катиондефицитных производных слоистого феррокупрокобальтита неодима–бария
Аннотация
Перспективными катодными материалами для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов на основе протон- или кислородионпроводящих твердых электролитов являются слоистые двойные пероскиты (СДП) на основе редкоземельных элементов, бария и 3d-металлов, обладающие высокой электропроводностью и электрокаталитической активностью в реакции восстановления кислорода. Для улучшения функциональных характеристик СДП используют различные стратегии: а) создание композитов на основе СДП, б) частичное замещение катионов и в) создание дефицита катионов в различных позициях структуры СДП. Достоинством последней стратегии является то, что она не требует усложнения химического и, как правило, фазового состава СДП. Целью настоящего исследования явилось изучение влияния дефицита неодима и бария на структурные и электротранспортные характеристики СДП NdBaFeCo0.5Cu0.5O6–d.
Образцы были получены керамическим методом и охарактеризованы при помощи рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии поглощения, иодометрии, электронной микроскопии, термического анализа, а также методов исследования электропроводности и термо-ЭДС.
Создание до 10 мол. % вакансий в подрешетках неодима или бария слабо сказывается на величинах индекса кислородной нестехиометрии (d) и параметров элементарной ячейки производных NdBaFeCo0.5Cu0.5O6–d, однако приводит к увеличению размера кристаллитов (определенного по методам Шеррера, Уильямсона–Холла и размеранапряжения) и термической стабильности этих фаз. Величины удельной электропроводности и коэффициента Зеебека керамики, в целом, возрастают, а энергий активации процесса электропереноса уменьшаются при создании дефицита неодима или бария в ее структуре. В интервале температур 300–700 К взвешенная подвижностьносителей заряда («дырок») изменяется в пределах 0.04–0.8 см2/(В·с) и увеличивается с ростом температуры, что характерно для поляронного механизма проводимости, а их концентрация варьируется в пределах (0.1–3)·1020 см–3, экспоненциально растет с увеличением температуры и, в целом, при создании дефицита неодима или бария в структуре NdBaFeCo0.5Cu0.5O6–d
Скачивания
Литература
Jacobson A. J. Materials for solid oxide fuel cells. Chemistry of Materials. 2010;22(3): 660–670. https://doi.org/10.1021/cm902640j
Afroze S., Karim A. H., Cheok Q., Eriksson S., Azad A. K. Latest development of double perovskite electrode materials for solid oxide fuel cells: a review. Frontiers in Energy. 2019;13: 770–797. https://doi.org/10.1007/s11708-019-0651-x
Klyndyuk A. I., Chizhova E. A., Kharytonau D. S., Medvedev D. A. Layered oxygen-deficient double perovskites as promising cathode materials for solid oxide fuel cells. Materials. 2022;15(1): 141. https://doi.org/10.3390/ma15010141
Kumar R. М., Khandale A. P. A review on recent progress and selection of cobalt-based cathode materials for low temperature solid oxide fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022;156: 111985. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111985
Zeng C., Zhan B., Butt S., … Nan C.–W. Electrical and thermal conduction behaviors in La-substituted GdBaCuFeO5+d ceramics. Journal of American Ceramic Society. 2015;98(10): 3179–3184. https://doi.org/10.1111/jace.13728
Tsvetkov D. S., Ivanov I. L., Malyshkin D. A., Sednev A. L., Sereda V. V., Zuev A. Yu. Double perovskites REBaCo2–xMxO6–d (RE = La, Pr, Nd, Eu, Gd, Y; M = Fe, Mn) as energy-related materials: an overview. Pure and Applied Chemistry. 2019;19(6): 923–940. https://doi.org/10.1515/pac-2018-1103
Kaur P., Singh K. Review of perovskite-structure related cathode materials for solid oxide fuel cells. Ceramics International. 2020;46: 5521–5535. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.066
Istomin S. Ya., Lyskov N. V., Mazo G. N., Antipov E. V. Electrode materials based on complex d-metal oxides for symmetrical solid oxide fuel cells. Russian Chemical Reviews. 2021;90(6): 644–676. https://doi.org/10.1070/RCR4979
Su Ch., Wang W., Shao Z. Cation-deficient perovskites for clean energy conversion. Account of Materials Research. 2021;2: 477–488. https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00036
Jiang X., Shi Y., Zhou W., … Jiang L. Effects of Pr3+-deficiency on structure and properties of PrBaCo2O5+d cathode material – A comparison with Ba2+-deficiency case. Journal of Power Sources. 2014;272: 371–377. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.08.091
Yi K., Sun L., Li Q., … Grenier J.-C. Effect of Nd-deficiency on electrochemical properties of NdBaCo2O6–d cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2016;41: 10228–10238. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.248
Jiang X., Xu Q., Shi Y., … Zhang Q. Synthesis and properties of Sm3+-deficient Sm1–xBaCo2O5+d perovskite oxides as cathode materials. International Journal of Hydrogen Energy. 2014;39: 10817–10823. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.203
Pang S. L., Jiang X. N., Li X. N., … Zhang Q. Y. Structure and properties of layered-perovskite LaBa1–xCo2O5+d (x = 0–0.15) as intermediatetemperature cathode material. Journal of Power Sources. 2013;240: 54–59. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.04.005
Pang S., Jiang X., Li X., Wang Q., Su Z. Characterization of Ba-deficient PrBa1–xCo2O5+d as cathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 2012;204: 53–59. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.01.034
Wang J., Meng F., Xia T., … Grenier J.-C. Superior electrochemical performance and oxygen reduction kinetics of layered perovskite PrBaxCo2O5+d (x = 0.90–1.00) oxides as cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2014;39: 18392–18404. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.09.041
Pang S., Wang W., Chen T., … Fan J. The effectof potassium on the properties of PrBa1–xCo2O5+d (x = 0.00–0.10) cathodes for intermediate-tenperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2016;41: 13705–13714. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.0460
Donazzi A., Pelosato R., Cordaro G., Stucchi D., Cristiani C., Dotelli G., Sora N. Evaluation of Ba deficient NdBaCo2O5+d oxide as cathode material for IT-SOFC. Electrochimica Acta. 2015;182: 573–587. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.09.117
Cordaro G., Donazzi A., Pelosato R., … Dotelli G. Structural and electrochemical characterization of NdBa1–xCo2–yFeyO5+d as cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Journal of Electrochemical Society. 2020;167: 024502. https://10.1149/1945-7111/ab628b
Kim C. G., Woo S. H., Song K. E., … Kim J. H. Enhanced electrochimical properties of nonstoichiometric layered perovskites, Sm1–xBaCo2O5+d, for IT-SOFC cathodes. Frontiers in Chemistry. 2021;9: 633863. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.633868
Zhang L., Li Sh., Sun L., Huo L., Zhao H. Codeficient PrBaCo2–xO6–d perovskites as cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells: enhanced electrochemical performance and oxygen reduction kinetics. International Journal of Hydrogen Energy. 2018;43: 3761–3775. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.018
Klyndyuk A. I., Chizhova E. A. Structure and electrical and transport properties of cation-deficient samples of perovskite ferrocuprates RBaCuFeO5+d (R = Y, La). Physics of the Solid State. 2008;50(4): 603–608. https://doi.org/10.1134/S1063783408040021
Klyndyuk A. I., Chizhova E. A. Effect of cation deficiency on the structure and properties of layered lanthanum barium ferrocuprate. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2008;53(4): 524–529. https://doi.org/10.1134/S0036023608040074
Klyndyuk А. I., Kharytonau D. S., Mosiałek M., … Zimowska M. Double substituted NdBa(Fe,Co,Cu)2O5+d layered perovskites as cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells –correlation between structure and electrochemical properties Electrochimica Acta. 2022;411: 140062 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140062
Klyndyuk A. I., ZhuravlevaYa. Yu., Gundilovich N. N., Chizhova E. A. Structural, thermal, and electrical properties of solid solutions in the NdBaFeCo0.5Cu0.5O5+d–NdSrFeCo0.5Cu0.5O5+d system. Inorganic Materials. 2023;59(1): 86–92. https://doi.org/10.1134/S0020168523010089
Klyndyuk A. I., ZhuravlevaYa. Yu. Structure and physico chemical properties of NdBa1–xCaxFeCo0.5Cu0.5O5+d solid solutions (0.00 ≤ x ≤ 0.40). Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2022;67(12):2084–2089. https://doi.org/10.1134/S0036023622601404
Goryachko A. I., Ivanin S. N., Buz’ko V. Yu. Synthesis, microstructural and electromagnetic characteristics of cobalt-zinc ferrite. Condensed Matter and Interphases. 2020;22(4): 446–452. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/3115
Nikam C. U., Kadam S. R., Shotole R. S., … Kale G. H. Williamson–Hall and size strain plot based micro-structural analysis and evaluation of elastic properties of Dy3+ substituted Co–Zn nano-spinels. Journal of Physics: Conference Series. 2023;2426: 012029. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2426/1/012029
Snyder G. J., Snyder A. H., Wood M., Gurunathan R., Snyder B. H., Niu C. Wighted mobility. Advanced Materials. 2020;35: 2001537. https://doi.org/10.1002/adma.202001537
Atanassova Y. K., Popov V. N., Bogachev G. G., … Pissas M. Raman- and infrared active phonons in YBaCuFeO5: experimental and lattice dynamics. Physical Review B. 1993;47: 15201–15207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.15201
Mott N., Davis E. Electronic processes in noncrystalline materials. 2nded. New York, USA, Oxford: Oxford University Press; 1979. 590 p.
Copyright (c) 2024 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
