Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
ℹ️Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
РЕФЕРАТ 2
МЕСТО ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 4
СОДЕРЖАНИЕ 5
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 9
1 Обзор литературы 9
1.1 Получение, кристаллическая структура, физико-химические и электрохимические
свойства сложнооксидных фаз НЙ2-хСахН1О4+5 9
1.2 Получение, кристаллическая структура и физико-химические свойства Си-допированных фаз Еп2Н11-уСиуО4+8 (Еп = Еа, N6) 15
1.3 Получение, кристаллическая структура, физико-химические и электрохимические
свойства Еп2-хМхН11-уСиуО4+5 (Еп=ЕаРг,НЛ;М=Са,8г) 19
2 Постановка задачи работы 30
3 Методика эксперимента 32
3.1 Характеристика исходных материалов и приготовление образцов 32
3.2 Методика рентгеновских исследований 33
3.3 Методики измерения линейного коэффициента термического расширения 33
3.4 Методика измерения электропроводности 34
3.5 Методика измерения содержания кислорода в образцах 36
3.6 Методика исследования совместимости катодных материалов с электролитами... 38
3.7 Методика анализа распределения частиц по размерам 39
3.8 Методика измерения удельной поверхности 39
3.9 Методика измерения поляризационных характеристик 39
3.10 Методика потенциометрического титрования 40
3.11 Методика определения коэффициента диффузии 41
4 Результаты и их обсуждение 42
4.1 Фазовая и структурная аттестация Ш1.бСао.4Н11-уСиуО4+8 42
4.2 Исследование функциональных свойств НЛ1.бСао.4Н11-уСиуО4+8 49
4.2.1 Изучение термического расширения 49
4.2.2 Исследование электропроводности 54
4.2.3 Изучение химической совместимости с материалами электролитов 5 6
4.2.4 Определение удельной поверхности и изучение распределения частиц по
размерам НЛ1.бСао.4Н11-уСиуО4+8 58
4.2.5 Определение коэффициента диффузии 61
4.3 Изучение электрохимических свойств 62
ВЫВОДЫ 65
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 66
📖 Введение
Поиск оптимальных катодных материалов для твердооксидных топливных элементов является весьма перспективным направлением в исследовательских работах. К очевидным достоинствам ТОТЭ можно отнести высокую производительность, экологичность и возможность использования в качестве топлива как водорода, так и различных видов углеводородов [1-6]. Однако использование высоких рабочих температур (до 1000 °С) приводит к быстрой деградации мощностных характеристик ТОТЭ, в основном за счет химического взаимодействия между конструкционными материалами.
Решение данной проблемы в виде понижения рабочей температуры ТОТЭ вызывает возрастание поляризационных потерь на трехфазной границе, основной вклад в которые вносит катодный материал [7, 8]. Это связано со сложным механизмом реакции восстановления кислорода на катоде. На катоде ТОТЭ кислород реагирует с поступающими из внешней цепи электронами, превращаясь в ионы кислорода, которые мигрируют через электролит [8, 9]. Так, понижение рабочей температуры ТОТЭ с 900 до 700 °С приводит к возрастанию поляризационного сопротивления традиционного катодного материала высокотемпературного ТОТЭ на основе оксида ЬаьхЗгхМпОз более чем в 2000 раз [10-12]. Одним из вариантов проблемы снижения высокого поляризационного сопротивления катодного материала при снижении рабочей температуры ТОТЭ будет являться использование материалов, которые, в отличие от Ь8М, являются проводниками смешанного типа, обладающими как высокой электронной, так и значительной кислород- ионной проводимостью [10-12].
Высокую электронную проводимость, значительную подвижность ионов кислорода и требуемую устойчивость для использования в среднетемпературных ТОТЭ имеют сложнооксидные фазы со структурой Раддлесдена-Поппера: Ьп2-хМх№О4+5 (Ьп = Ьа, N6, Рг, М = Са, 8г, Ва). В силу особенностей кристаллической структуры, а именно, присутствие перовскитных блоков, обеспечивающих высокую электронную проводимость, и блоков со структурой каменной соли, обеспечивающих высокую кислород-ионную проводимость, ряд сложных оксидов со структурой Раддлесдена-Поппера уже аттестованы в качестве катодных материалов среднетемпературных ТОТЭ [11, 13-14].
Оптимизация функциональных свойств Ьп2-хМх№О4+5 достигается замещением части ионов в позициях Ьп-подрешетки (Ьп = Ьа, N6, Рг) на катионы щелочноземельных металлов (М = Са, Бг, Ва), что приводит к увеличению концентрации электронных дырок и, как следствие, к увеличению общей проводимости материала [15]. Анализ литературы показывает, что среди допированных фаз I .п2-Л"1'1О.|+>наиболее высокие значения общей проводимости показывают Са-допированные никелаты 1.112-Са'1О.|+>[14, 16-18]. С другой 7
стороны, известно, что замещение ионов Ьп на ионы щелочноземельных металлов снижает ионную проводимость и спекаемость материала [19].
Необходимо отметить, что недостатком сложных оксидов Ьп2-хМх№04+5 является их химическое взаимодействие с материалами, традиционно используемыми в качестве электролитов ТОТЭ. Появление слоев взаимодействия между катодом и электролитом может привести к разрушению электрода и снижению эффективности ТОТЭ. Ранее показано, что в ряду Ьп2Н104+5 (Ьп = Ьа, N6, Рг) самый низкий уровень взаимодействия с электролитами Ce0.9Gd0.1O1.95 [19] и У8/ [20] отмечен для Ьп = №
Все выше сказанное определяет актуальность исследований по поиску частично замещенных на переходные металлы в ^-позиции оксидов Нд2-хСах№04+5. и обосновывает проведенное в настоящей работе комплексное изучение кристаллической структуры, физико-химических свойств и электрохимического поведения сложнооксидных материалов №1.бСао.4№1-уСиу04+8, которые могут быть рассмотрены в качестве катодных материалов для среднетемпературных ТОТЭ в паре с электролитом Ce0.8Sm0.1Nd0.1OL9.
✅ Заключение
1) Установлено, что сложные оксиды Ndi.6Cao.4Nii-yCuyÜ4+5 (у = 0.0 - 0.3) на воздухе при 25 °С являются однофазными и обладают орторомбической структурой с пространственной группой Bmab.
2) Установлено, что с увеличением содержания меди в ряду №1.бСао.4№1-уСиу04+8 (у = 0.0 - 0.3) уменьшается абсолютное содержание кислорода в образцах.
3) Показано, что образцы Ш1.бСа0.4М1-уСиуО4+8 (у = 0.0 - 0.3) в диапазоне температур от 300 до 400 °С претерпевают фазовый переход из орторомбической структуры в тетрагональную (Bmab^ I4/mmm).
4) Установлено, что значения линейных коэффициентов термического расширения
Ш1.бСа0.4М1-уСиуО4+8 (у = 0.0 - 0.3) хорошо соотносятся со значениями линейных коэффициентов термического расширения традиционных электролитов ТОТЭ.
5) Установлено, что максимальным значением электропроводности при 850 °С на воздухе обладает Ndi.6Ca0.4Ni0.sCu0.2Ü4+8.
6) Установлено, что образцы Nd1.6Cao.4Ni1-yCuyÜ4+8 с у = 0.0; 0.2 являются химически совместимыми с Ce0.sSm0.iNd0.iÜi.9, Ce0.9Gd0.1O1.95, Ce0.sSm0.2Üi.9 и BaCe0.5Zr0.3Y0.iYb0.iÜ3-8 и не совместимыми с Bii.5Y0.5Ü3.
7) Установлено, что с увеличением содержания меди в ряду Nd1.6Cao.4Ni1-yCuyÜ4+8 (у = 0.0 - 0.4) уменьшаются значения коэффициентов самодиффузии кислорода.
8) На основе оценочных электрохимических испытаний получено, что в ряду Nd1.6Cao.4Ni1-yCuyÜ4+8 (у = 0.0, 0.i, 0.3) допирование медью ухудшает поляризационные характеристики электродов. Требуются дополнительные исследования.