КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-73-00001
НазваниеОпределение и подавление электронной проводимости в Ce-содержащих твердооксидных электролитах как способ повышения эффективности электрохимических устройств на их основе
Руководитель Медведев Дмитрий Андреевич, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия
Ключевые слова твердооксидные электролиты, CeO2, BaCeO3, ТОТЭ, электронная проводимость, ионная проводимость, метод блокирующих электродов, импедансная спектроскопия
Код ГРНТИ31.15.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Материалы на основе оксида церия (СеО2) и церата бария (ВаСеО3) являются основой перспективных электролитов для ряда среднетемпературных электрохимических устройств, таких как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), электролизеры (ТОЭ), конвертеры и датчики. Их высокая проводимость по сравнению с традиционным циркониевым электролитом позволяет разрабатывать высокоэффективные устройства, работающие в среднетемпературном диапазоне. Например, согласно литературным данным, мощность ТОТЭ на основе допированного цериевого электролита может превышать 1.5 Вт/см2 при 700 °С. Однако при этом эффективность превращения химической энергии в электрическую является невысокой из-за наличия в электролитах на основе СеО2 электронной проводимости n-типа в восстановительных условиях. Она обусловливает низкие значения напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) ТОТЭ, которые не превышают 0.9 В при 700–800 °С при теоретическом уровне ~1.1 В. Подобной проблемой характеризуются материалы на основе BaCeO3, которые демонстрируют значимый уровень электронной проводимости p-типа в окислительных атмосферах. Использование таких материалов в качестве электролитов также приводит к снижению НРЦ ТОТЭ, но в меньшей степени (до 1 В при 700–800 °С).
Анализ литературных данных показывает, что проблема подавления нежелательного электронного переноса в этих системах изучена достаточно слабо. Возможно, это связано с тем, что рассматриваемые объекты не являются униполярными проводниками, и они обладают кислородионной проводимостью (а также протонной) наряду с электронной. Разделение общей проводимости на парциальные составляющие возможно, но с применением весьма нетривиальных методик. Например, измерение общей проводимости от парциального давления кислорода (рО2) является одним из самых распространенных методов, позволяющих разделить общую проводимость на ионную и электронную составляющие. Однако метод требует наличия электрохимического датчика/электрохимического насоса, которые функционируют при температурах выше 600 °С. Кроме того, данный метод не дает достоверной информации о природе ионной проводимости (если это касается со-ионных проводников на основе BaCeO3).
Настоящий проект направлен на решение проблем (1) разделения общей проводимости электролитов на основе CeO2 и BaCeO3 на ионную и электронную компоненты, (2) изучение влияния внешних факторов (температуры, рО2, влажность) на перераспределение парциальных проводимостей, а также (3) выявления условий минимизации электронного транспорта.
Научная новизна работы состоит как в объектах изучения, так и в методах исследования электрохимических характеристик. Объектами изучения будут выступать двухслойные электролиты на основе CeO2 и BaCeO3 с различной толщиной функциональных материалов. Их электрические свойства будут изучены методом импедансной спектроскопии совместно с методом блокирующих электродов в условиях жестко контролируемых составов газовых атмосфер. Поскольку церивевый электролит является униполярным проводником на воздухе, а церат бария – смешанным проводником с дырочным, кислордионным и протонным транспортом, то общее сопротивление двухслойного электролита будет отражать сумму кислородионных сопротивлений составляющих слоев. Зная условия образования и взаимодействия дефектов в допированном BaCeO3, можно оценить значения его электронной и протонной проводимости на основе измеренной кислородионной. Аналогично можно определить суммарное кислородионное сопротивление двухслойных электролитов в восстановительных атмосферах, в которых материалы на основе оксида церия проявляют смешанный кислородионный и электронный транспорт, на основе церата бария – смешанный кислородионный и протонный. Изменяя толщину электролитов при одной и той же толщине двухслойной системы, можно определить собственное кислородионное сопротивление каждого из материалов, соответствующую ионную проводимость и остальные парциальные компоненты. Кроме того, применение импедансной спектроскопии позволит выявить влияние объема и границ зерен на общий транспорт керамических материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ