Фундаментальные основы химического дизайна электрохимических устройств преобразования энергии на основе новых мультифункциональных материалов - цирконатов BaZr1-xMxO3-d (M=Y, Nd, Pr, Co; x=0-0.5)

В ходе выполнения проекта выполнены синтезы допированных цирконатов бария BaZr1-xYxO3-d (x=0.05,0.1,0.2,0.3,0.4) (BZY5, BZY10, BZY20, BZY30 и BZY40), BaZr1-xNdxO3-d (x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5) (BZN10, BZN20, BZN30, BZN40, BZN50), BaZr1-xCoxO3-d (x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5) (BZC10, BZC20, BZC30, BZC40, BZC50), BaZr1-xPrxO3-d (x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5) (BZP10, BZP20, BZP30, BZP40, BZP50). Методом высокотемпературной рентгеновской дифракции in situ были получены данные по параметрам кристаллической решетки. Экспериментальные данные общей электропроводности BZY10 и BZY20, измеренные при 688 – 1038°С в диапазоне парциального давления кислорода -18≤log(pO2/атм)≤ -0.67 и парциального давления водяного пара -4 ≤ log(pH2O/атм)≤ -1.73, были обсчитаны 4D фитингом. Были получены модельные зависимости парциальных электропроводностей и их энергии активации. Был проведен анализ экспериментально полученного коэффициента термо-ЭДС (коэффициента Зеебека). Дефектная структура BZYx была рассмотрена для различных типов дефектов, содержащих электронную дырку: локализованных, делокализованных, ассоциированных и не ассоциированных электронных дырок. Проведены термодинамические расчеты дырочной проводимости для случаев локализованных, делокализованных, ассоциированных и не ассоциированных дырок. Были рассчитаны энтальпия выхода кислорода, энергия активации дырочной проводимости при заданном pO2, энергия активации дырочной проводимости при постоянном составе, энтальпия образования дырки, энтальпия миграции и энтальпия диссоциации. Термогравиметрические исследования были проведены для цирконатов BZYx и BZPx с целью установления возможной переменной нестехиометрии по кислороду и ее величины, а также возможности поглощения воды. Энтальпийные инкременты цирконатов BaZr1–xPrxO3 (x = 0.1, 0.5) были получены методом дроп калориметрии. Топливные элементы планарного типа были изготовлены двух типов: с несущим анодом и несущим электролитом. Электролитом в обоих типах является BZY10 и BZY20, а компонентами анода – оксид никеля и BZP10. В ходе изготовления таблеток, несущего элемента, подтвердилось, что при одинаковой температуре спекания 1600°С, относительная плотность таблеток выше лучше с использованием цирконата BZY20. В качестве катода был использован La0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3 (LSCF) по причине близкого значения коэффициента термического расширения. Катод на основе PrBaCo2O6-d (PBC) не удалось достаточно надежно припечь, при нескольких циклах нагрева/охлаждения катод осыпался, что также связано с КТР, который отличается в два раза.