Транспортные свойства In3+- и Y3+-допированного гексагонального перовскита Ba5In2Al2ZrO13

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе впервые получен сложный оксид Ba5In1.9Y0.1Al2ZrO13, характеризующийся структурой гексагонального перовскита (a = 5.971(4) Å, с = 24.012(1) Å). Установлено, что фаза способна к диссоциативному поглощению воды из газовой фазы, степень гидратации достигала 0.39 моль Н2О. Методом ИК-спектроскопии установлено, что протоны присутствуют в виде энергетически неэквивалентных ОН–-групп, участвующих в разных по силе водородных связях. Показано, что изовалентное допирование иттрием фазы Ba5In2Al2ZrO13 не приводит к значимому изменению величины кислород-ионной проводимости, по сравнению с акцепторным допированием Ba5In2.1Al2Zr0.9O12.95, которое позволяет увеличить кислород-ионную проводимость в 1.3 раза. Оба типа допирования приводят к увеличению величины протонной проводимости как результат увеличения концентрации протонов. Для данных фаз степень гидратации зависит от величины параметров ячейки и, соответственно, определяется наличием свободного места для участия ОН–-групп в координации бария. Фазы Ba5In2Al2ZrO13, Ba5In2.1Al2Zr0.9O12.95 и Ba5In1.9Y0.1Al2ZrO13 ниже 600оС во влажной атмосфере (pH2О = 1.92 × 10–2 атм) проявляют доминирующий протонный транспорт.

Об авторах

Р. Д. Андреев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: Irina.animitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

И. А. Анохина

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: Irina.animitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

Д. В. Корона

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: Irina.animitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

А. Р. Гилев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: Irina.animitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

И. Е. Анимица

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: Irina.animitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Takahashi, T. and Iwahara, H., Solid-state ionics: Protonic conduction in perovskite-type oxide solid solution, Rev. Chem. Mineral, 1980, vol. 17, no. 4, p. 243.
  2. Iwahara, H., Esaka, T., Uchida, H., and Maeda, N., Proton conduction in sintered oxides and its application to steam electrolysis for hydrogen production, Solid State Ionics, 1981, vol. 3, no. 4, p. 359.
  3. Uchida, H., Maeda, N., and Iwahara H., Relation between proton and hole conduction in SrCeO3-based solid electrolytes under water containing atmospheres at high temperatures, Solid State Ionics, 1983, vol. 11, no. 2, p. 117.
  4. Iwahara, H., Proton-conducting ceramics, Ceram. Jap., 1983, vol. 18, no. 10, p. 855.
  5. Norby, T., Advances in proton ceramic fuel cells, steam electrolyzers, and dehydrogenation reactors based on materials and process optimizations, ECS Transactions, 2017, vol. 80, no. 9, p. 23.
  6. Medvedev, D., Lyagaeva, J., Gorbova, E., Demin, A., and Tsiakaras, P., Advanced materials for SOFC application: Strategies for the development of highly conductive and stable solid oxide proton electrolytes, B: Progress in Mater. Sci., 2016, vol. 75, p. 38.
  7. Medvedev, D. and Ricote, S., Electrochemistry of proton-conducting ceramic materials and cells, B: J. Solid State Electrochem., 2020, vol. 24, no. 7, p. 1445.
  8. Xi, X. and Lei, B., Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells, Elsevier, 2020. p. 81.
  9. Tarancón, A., Strategies for Lowering Solid Oxide Fuel Cells Operating Temperature, Energies, 2009, vol. 2, p. 1130.
  10. Medvedev, D., Trends in research and development of protonic ceramic electrolysis cells, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, no. 49, p. 26711.
  11. Стенина, И.А., Ярославцев, А.Б. Высокотемпературные и композиционные протонпроводящие электролиты. Неорган. материалы. 2017. № 53(4). С. 335. [Stenina, I.A. and Yaroslavtsev, A.B., High-temperature and composite proton conducting electrolytes, Neorgan. mater. (in Russian), 2017, no. 53(4), p. 335.]
  12. Haugsrud, R., High Temperature Proton Conductors – Fundamentals and Functionalities, Diffusion Foundations, 2016, vol. 8, p. 31.
  13. Kim, J., Sengodan, S., Kim, S., Kwon, O., Bud, Y., and Kim, G., Proton conducting oxides: A review of materials and applications for renewable energy conversion and storage. Renewable and Sustainable Energy Rev., 2019, vol. 109, p. 606.
  14. Kochetova, N., Animitsa, I., Medvedev, D., Demin, A., and Tsiakaras, P., Recent activity in the development of proton-conducting oxides for high-temperature applications, RSC Advances, 2016, vol. 6, p. 73222.
  15. Nomura, K., Takeuchi, T., Kamo, Sh., Kageyama H., and Miyazaki, Y., Proton conduction in doped LaScO3 perovskites, Solid State Ionics, 2004, vol. 175, p. 553.
  16. Zhao, G., Suzuki, K., Hirayama, M., and Kanno, R., Syntheses and characterization of novel perovskite-type LaScO3-based lithium ionic conductors, Molecules, 2021, vol. 26, p. 299.
  17. Kuzmin, A.V., Stroeva, A.Yu., Gorelov, V.P., Novikova, Yu.V., Lesnichyova, A.S., Farlenkov, A.S., and Khodimchuk, A.V., Synthesis and characterization of dense proton-conducting La1 – xSrxScO3 – α ceramics, Intern. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 1130.
  18. Kuzmin, A.V., Lesnichyova, A.S., Tropin, E.S., Stroeva, A.Yu., Vorotnikov, V.A., Solodyankina, D.M., Belyakov, S.A., Plekhanov, M.S., Farlenkov, A.S., Osinkin, D.A., Beresnev, S.M., and Ananyev, M.V., LaScO3-based electrolyte for protonic ceramic fuel cells: Influence of sintering additives on the transport properties and electrochemical performance, J. Power Sources, 2020, vol. 466, p. 228255.
  19. Касьянова, А.В., Руденко, А.О., Лягаева, Ю.Г., Медведев, Д.А. Лантансодержащие протонные электролиты со структурой перовскита. В: Мембраны и мембр. технологии. 2021. № 11 (2). С. 83. [Kasyanova, A.V., Rudenko, A.O., Lyagaeva, Y.G., and Medvedev, D.A., Lanthanum-containing proton electrolytes with perovskite structure, V: Membrani i membr. technologii (in Russian), 2021, no. 11(2), p. 83.]
  20. Magrasó, A., Polfus, J., Frontera, C., Canales-Vázquez, J., Kalland, L., Hervoches, C., Erdal, S., Hancke, R., Islam, M., Norby, T., and Haugsrud, R., Complete structural model for lanthanum tungstate: a chemically stable high temperature proton conductor by means of intrinsic defects, J. Mater. Chem., 2012, vol. 22, no. 5, p. 1762.
  21. Haugsrud, R. and Norby, T., High-temperature proton conductivity in acceptor-doped LaNbO4, Solid State Ionics, 2006, vol. 177, no. 13–14, p. 1129.
  22. Huse, M., Norby, T., and Haugsrud, R., Effects of A and B site acceptor doping on hydration and proton mobility of LaNbO4, Intern. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, no. 9, p. 8004.
  23. Besikiotis, V., Knee, C. S., Ahmed, I., Haugsrud, R., and Norby, T., Crystal structure, hydration and ionic conductivity of the inherently oxygen-deficient La2Ce2O7, Solid State Ionics, 2012, vol. 228, p. 1.
  24. Tu, T., Zhang, B., Liu, J., Wu, K., and Peng, K., Synthesis and conductivity behavior of Mo-doped La2Ce2O7 proton conductors, Electrochim. Acta, 2018, vol. 283, p. 1366.
  25. Zhu, Z., Liu, B., Shen, J., Lou, Y., and Ji, Y., La2Ce2O7: A promising proton ceramic conductor in hydrogen economy, J. Alloys and Compounds, 2016, vol. 659, p. 232.
  26. Omata, T., Okuda, K., Tsugimoto, S., and Otsuka-Matsuo-Yao, S., Water and hydrogen evolution properties and protonic conducting behaviors of Ca2+-doped La2Zr2O7 with a pyrochlore structure, Solid State Ionics, 1997, vol. 104, p. 249.
  27. Eurenius, K., Proton conductivity in acceptor-doped lanthanide based pyrochlore oxides, Thesis for the degree of doctor of philosophy, University of Gothenburg Gothenburg, Sweden, 2009.
  28. Shlyakhtina, A., Lyskov, N., Nikiforova, G., Kasyanova, A., Vorobieva, G., Kolbanev, I., Stolbov, D., and Medvedev, D., Proton Conductivity of La2(Hf2 – xLax)O7 – x/2 “Stuffed” Pyrochlores, B: Appl. Sci., 2022, vol. 12, no. 9, p. 4342.
  29. Haugsrud, R., Defects and transport properties in Ln6WO12 (Ln = La, Nd, Gd, Er), Solid State Ionics, 2007, vol. 178, p. 555.
  30. Haugsrud, R. and Norby, T., Proton conduction in rare-earth ortho-niobates and ortho-tantalates, Nature Mater., 2006, vol. 5, no. 3, p. 193.
  31. Solís, C., Navarrete, L., Roitsch, S., and Serra, J., Electrochemical properties of composite fuel cell cathodes for La5.5WO12 – δ proton conducting electrolytes, J. Mater. Chem., 2012, vol. 22, no. 31, p. 16051.
  32. Zhou, Y., Shiraiwa, M., Nagao, M., Fujii, K., Tanaka, I., Yashima, M., Baque, L., Basbus, J., Mogni, L., and Skinner, S., Protonic Conduction in the BaNdInO4 Structure Achieved by Acceptor Doping, Chem. Mater., 2021, vol. 33, p. 2139.
  33. Tarasova, N., Animitsa, I., Galisheva, A., and Korona, D., Incorporation and Conduction of Protons in Ca, Sr, Ba-Doped BaLaInO4 with Ruddlesden–Popper Structure, Materials, 2019, vol. 12, no. 10, p. 1668.
  34. Tarasova, N. and Animitsa, I., Materials AIILnInO4 with Ruddlesden-Popper Structure for Electrochemical Applications: Relationship between Ion (Oxygen-Ion, Proton) Conductivity, Water Uptake, and Structural changes, Materials, 2022, vol. 15, no. 1, p. 114.
  35. Yashima, M., Tsujiguchi, T., Sakuda, Y., Yasui, Y., Zhou, Y., Fujii, K., Torii, S., Kamiyama, T., and Skinner, S., High oxide-ion conductivity through the interstitial oxygen site in Ba7Nb4MoO20-based hexagonal perovskite related oxides, Nature Commun., 2021, vol. 12, no. 1, p. 1.
  36. Fop, S., McCombie, K., Wildman, E., Skakle, J., Irvine, J., Connor, P., Savaniu, C., Ritter, C., and Mclaughlin, A., High oxide ion and proton conductivity in a disordered hexagonal perovskite, Nature Mater, 2020, vol. 19, p. 752.
  37. Murakami, T., Hester, J., and Yashima, M., High Proton Conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a Hexagonal Perovskite-Related Oxide with intrinsically Oxygen-Deficient Layers, J. Amer. Chem. Soc., 2020, vol. 142, p. 11653.
  38. Fop, S., Solid oxide proton conductors beyond perovskites, J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 18836.
  39. Shpanchenko, R., Abakumov, A., Antipov, E., and Kovba, L., Crystal structure of Ba5In2Al2ZrO13, J. Alloy. Compd., 1994, vol. 206, p. 185.
  40. Andreev, R., Korona, D., Anokhina, I., and Animitsa, I., Proton and Oxygen-Ion Conductivities of Hexagonal Perovskite Ba5In2Al2ZrO13, Materials, 2022, vol. 15, no. 11, p. 3944.
  41. Shannon, R., Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Crystallogr. Sect. A Cryst. Phys. Diffr. Theor. Gen. Crystallogr., 1976, vol. 32, p. 751.
  42. Irvine, J., Sinclair, D., and West, A., Electroceramics: Characterization by Impedance Spectroscopy, Adv. Mater., 1990, vol. 2, p. 132.
  43. Huang, W., Ding, Y., Li, Y., and Wang, Z., Proton conductivity and transport number of complex perovskite barium strontium tantalite, Ceram. Intern., 2021, vol. 47, no. 2, p. 2517.
  44. Fop, S., McCombie, K., Smith, R., and Mclaughlin, A., Enhanced Oxygen Ion Conductivity and Mechanistic Understanding in Ba3Nb1 – xVxMoO8.5, Chem. Mater., 2020, vol. 32, no. 11, p. 4724.
  45. Iwahara, H., High temperature protonic conduction based on perovsike-type oxides, ISSI Letters, 1992, vol. 2, no. 3, p. 11.
  46. Munch, W., Seifert, G., Kreuer, K.D., and Maier, J., A quantum molecular dynamics study of proton conduction phenomena in BaCeO3, Solid State Ionics, 1996, vol. 86, p. 647.
  47. Kreuer, K., Dippel, Th., Baikov, Yu., and Maier, J., Water solubility, proton and oxygen diffusion in acceptor doped BaCeO3: A single crystal analysis, Solid State Ionics, 1996, vol. 86, p. 613.
  48. Kreuer, K., Adams, S., Fuchs, W., Klock, U., and Maier, J., Proton conducting alkaline earth zirconates and titanates for high drain electrochemical applications, Solid State Ionics, 2001, vol. 145, p. 295.
  49. Tarasova, N., Galisheva, A., Animitsa, I., Korona, D., and Davletbaev, K., Novel proton-conducting layered perovskite based on BaLaInO4 with two different cations in B-sublattice: Synthesis, hydration, ionic (O2–, H+) conductivity, Intern. J. Hydrogen Energy, 2022, vol. 47, no. 44, p. 18972.
  50. Okuyama, Y., Kozai, T., Ikeda, Sh., Matsuka, M., Sakai, T., and Matsumoto, H., Incorporation and conduction of proton in Sr-doped LaMO3 (M = Al, Sc, In, Yb, Y), Electrochim. Acta, 2014, vol. 125, p. 443.

© Р.Д. Андреев, И.А. Анохина, Д.В. Корона, А.Р. Гилев, И.Е. Анимица, 2023