Структура, тепловые и электрические свойства твердых растворов системы NdBaFeCo 0.5 Cu 0.5 O 5+δ –NdSrFeCo 0.5 Cu 0.5 O 5+δ

Клындюк А. И.; Журавлева Я. Ю.; Гундилович Н. Н.; Чижова Е. А.

doi:10.31857/S0002337X23010086

Структура, тепловые и электрические свойства твердых растворов системы NdBaFeCo_0.5Cu_0.5O_5+δ–NdSrFeCo_0.5Cu_0.5O_5+δ

Authors: Клындюк А.¹, Журавлева Я.¹, Гундилович Н.¹, Чижова Е.¹
Affiliations:
1. Белорусский государственный технологический университет
Issue: Vol 59, No 1 (2023)
Pages: 88-94
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140129
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23010086
EDN: https://elibrary.ru/OQDRRO
ID: 140129

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Твердофазным методом получены слоистые перовскиты NdBa_1–xSr_xFeCo_0.5Cu_0.5O_5+δ (0.0 ≤ x ≤ 1.0), изучены их кристаллическая структура, микроструктура, термические и электрические свойства. При x ≤ 0.4 соединения имеют тетрагональую (пр. гр. P4/mmm), а при 0.6 ≤ x ≤ 1.0 – кубическую структуру (пр. гр. Pm3m) и являются полупроводниками p-типа, характер электропроводности которых при повышенных температурах изменяется на металлический, что обусловлено выделением из образцов лабильного кислорода (δ) и сопровождается возрастанием температурного коэффициента линейного расширения от (15.1–16.2) × 10^–6 до (18.9–23.5) × 10^–6 К^–1. Параметры элементарной ячейки и коэффициент термо-ЭДС твердых растворов NdBa_1–xSr_xFeCo_0.5Cu_0.5O_5+δ уменьшаются, а их электропроводность увеличивается с ростом степени замещения бария стронцием. Рассчитаны значения энергий активации процессов электропереноса, взвешенной подвижности и концентрации носителей заряда в этих фазах; показано, что эти характеристики немонотонно изменяются при изменении катионного состава образцов, проходя через экстремум в области структурного фазового перехода тетрагональная фаза → кубическая фаза.

Keywords

слоистые перовскиты, твердые растворы, термическая стабильность, тепловое расширение, электропроводность, термо-ЭДС

References

Taskin A., Lavrov A. Origin of the Large Thermoelectric Power in Oxygen-Variable RBaCo2O5+x (R = Gd, Nd) // Phys. Rev. 2006. V. 73. P. 1211101. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.121101
Kim J.-H., Manthiram A. Layered LnBaCo2O5+δ Oxides as Cathodes for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cell // J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155. № 4. P. B385–B390. https://doi.org/10.1149/1.2839028
Kim J.-H., Manthiram A. Layered LnBaCo2O5+δ Perovskite Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells: An Overview and Perspective // J. Mater. Chem. 2015. V. 3. P. 24195–24210. https://doi.org/10.1039/C5TA06212H
Han B., Li Y., Chen N., Deng D., Xinxin X., Wang Y. Preparation and Photocatalytic Properties of LnBaCo2O5+δ (Ln = Eu, Gd, and Sm) // J. Mater. Sci. Chem. Eng. 2015. V. 3. P. 17–25.
Tsvetkov D.S., Ivanov I.L., Malyshkin D.A., Sednev A.L., Sereda V.V., Zuev A.Y. Double Perovskites REBaCo2–xMxO6–δ (RE = La, Pr, Nd, Eu, Gd; M = Fe, Mn) as Energy-related Materials: An Overview // Pure Appl. Chem. 2019. V. 91. P. 923–940.
Hanif M.B., Rauf S., Motola M., Babar Z.U.D., Li C.-J. Recent Progress of Perovskite-based Electrolyte Materials for Solid Oxide Fuel Cells and Performance Optimizing Strategies for Energy Storage Applications // Mater. Res. Bull. 2022. V. 146. P. 111612. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132603
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. V. 15. № 1. P. 141. https://doi.org/10.3390/ma15010141
Kharton V., Marques F., Atkinson A. Transport Properties of Solid Oxide Electrolyte Ceramics: a Brief Review // Solid State Ionics. 2004. V. 174. № 1–4. P. 135. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2004.06.015
Cherepanov V.A., Aksenova T.V., Gavrilova L.Y., Mikhaleva K.N. Structure, Nonstoichiometry and Thermal Expansion of NdBa(Co,Fe)2O5+δ Layered Perovskites // Solid State Ionics. 2011. V. 188. № 1. P. 53–57. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.10.021
Zhang S.-L., Chen K., Zhang A.-P., Li C.-X., Li C.-Y. Effect of Fe Doping on the Performance of Suspension Plasma-Sprayed PrBa0.5Sr0.5Co2–xFexO5+δ Cathodes for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells // Ceram. Int. 2017. V. 43. P. 11648–11655. https://doi.org/0.1016/j.ceramint.2017.05.438
Jin F., Li Y., Wang Y., Chu X., Xu M., Zhai Y., Zhang Y., Fang W., Zou P., He T. Evaluation of Fe and Mn co-Doped Layered Perovskite PrBaCo2/3Fe2/3Mn2/3O5+δ as a Novel Cathode for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 22489–22496. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.018
Lin Y., Jin F., Yang X., Nik B., Li Y., He T. YBaCo2O5+δ-based Double Perovskite Cathodes for Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells with Simultaneously Improved Structural Stability and Thermal Expansion Properties // Electrochim. Acta. 2019. V. 297. P. 344–354. https://doi.org/0.1016/j.electacta.2018.11.214
Cordaro G., Donazzi A., Pelosato R., Mastropasqua L., Cristiani C., Sora I.N., Dotelli G. Structural and Electrochemical Characterization of NdBa1–xCo2–yFeyO5+δ as Cathode for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells // J. Electrochem. Soc. 2020. V. 167. P. 024502. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab628b
Klyndyuk A.I., Mosiałek M., Kharitonov D.S., Chizhova E.A., Socha R., Zimovska M., Komenda A. Structural and Electrochemical Characterization of YBa(Fe,Co,Cu)O5+δ Layered Perovskites as Cathode Materials for Solid Oxide Fuel Cells // Int. J. Hydrogen. Energy. 2021. V. 46. № 32. P. 16977–16988. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.141
Yang Q., Tian D., Liu R., Wu H., Chan nY., Ding Y., Lu X., Lin B. Exploiting Rare-Earth-Abundant Layered Perovskite Cathodes of LnBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ (Ln = La and Nd) for SOFC // Int. J. Hydrogen. Energy. 2021. V. 46. № 7. P. 5630–5642. https://doi.org/10.1016/j.ijhedene.2020.11.031
Klyndyuk A.I., Kharytonau D.S., Mosiałek M., Chizhova E.A., Komenda A., Socha R.S., Zimovska M. Double Substituted NdBa(Fe,Co,Cu)2O5+δ Layered Perovskites as Cathode Materials for Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells – Correlation between Structure and Electrochemical Properties // Electrochim. Acta. 2022. V. 41. P. 140062. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140062
Xue J., Shen Y., He T. Performance of Double-Perovskite YBa0.5Sr0.5Co2O5+δ as Cathode Material for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells // Int. J. Hydrogen. Energy. 2011. V. 36. P. 6894–6898. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.02.090
Yao C., Yang J., Zhang H., Chen S., Lang X., Meng J., Cai K. Evaluation of A-Site Deficient PrBa0.5–xSr0.5Co2O5+δ Layered (x = 0, 0.04, and 0.08) as Cathode Materials for Solid Oxide Fuel Cells // J. Alloys Compd. 2021. V. 883. P. 160759. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160759
Klyndyuk A.I., Zhuravleva Ya.Yu., Gundilovich N.N. Crystal Structure, Thermal and Electrotransport Properties of NdBa1–xSrxFeCo0.5Cu0.5O5+δ (0.02 ≤ x ≤ 0.20) Solid Solutions // Chimica Techno Acta. 2021. V. 8. № 3. P. 20218301. https://doi.org/10.15826/chimtech.2021.8.3.01
Urusova A.S., Cherepanov V.A., Aksenova T.V., Gavrilova L.Y., Kiselev E.A. Phase Equilibria, Crystal Structure and Oxygen Content of Intermediate Phases in the Y–Ba–Co–O System // J. Solid State Chem. 2013. V. 202. P. 207–214. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.03.037
Клындюк А.И., Журавлева Я.Ю. Структура и физико-химические свойства твердых растворов NdBa1–xCaxFeCo0.5Cu0.5O5+δ (0.00 ≤ x ≤ 0.40) // Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. № 12. С. 1874–1880. https://doi.org/10.31857/S0044457X22600669
Клындюк А.И., Чижова Е.А. Структура, тепловое расширение и электрические свойства твердых растворов системы BiFeO3–NdMnO3 // Неорган. материалы. 2015. Т. 51. № 3. С. 322–327. https://doi.org/10.7868/S0002337X15020098
Kim Y.N., Kim J.-H., Manthiram A. Effect of Fe Substitution on the Structure and Properties of LnBaCo2–xFexO5+δ (Ln = Nd and Gd) Cathodes // J. Power Sources. 2010. V. 195. P. 6411–6419. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.03.100
Shannon R.D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalogenides // Acta Crystallogr. 1976. V. 32. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/S0567739476001551
Atanassova Y.K., Popov V.N., Bogachev G.G., Iliev M.N., Mitros C., Psycharis V., Pissas M. Raman- and Infrared Active Phonons in YBaCuFeO5: Experimental and Lattice Dynamics // Phys Rev. B. 1993. V. 47. P. 15201–15207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.15201
Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982. 368 с.
Snyder G.J., Snyder A.H., Wood M., Gurunatham R., Snyder B.H., Niu C. Weighted Mobility // Adv. Mater. 2020. V. 35. P. 2001537. https://doi.org/10.1002/adma.202001537