Study of the Electrophysical Properties of Solid Solutions with a Perovskite Structure in La2O3–SrO–Ni(Co,Fe)2O3–δ Systems for Cathode Electrodes for Fuel Cells

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Finely dispersed mesoporous powders of the following composition are synthesized by the method of cocrystallization of nitrate salts with ultrasonic treatment: La1–xSrxNiO3–δ, La1–xSrxCoO3–δ, and La1–xSrxFe0.7Ni0.3O3–δ (x = 0.30; 0.40). Based on them, ceramic nanomaterials of the given composition with a coherent scattering region (CSR) of ~65–69 nm (1300°С) are obtained. Ceramics fired at 1300°C are single-phase and have a tetragonal and orthorhombic perovskite-type structure in the La2O3‒SrO‒Ni(Co,Fe)2O3–δ system. Solid solutions have mixed electron–ion conductivity with transfer numbers te = 0.98–0.90 and ti = 0.02–0.10. Ceramics with a tetragonal perovskite-type crystal structure exhibit higher electrical conductivity than materials having an orthorhombic perovskite-type crystal structure. According to their electrophysical properties related to the structural features of solid solutions, ceramic materials obtained based on them are promising as solid oxide cathodes for average-temperature fuel cells.

About the authors

M. V. Kalinina

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: tikhonov_p-a@mail.ru
199034, St. Petersburg, Russia

D. A. Dyuskina

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: tikhonov_p-a@mail.ru
199034, St. Petersburg, Russia

I. G. Polyakova

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: tikhonov_p-a@mail.ru
199034, St. Petersburg, Russia

M. Yu. Arsent’ev

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: tikhonov_p-a@mail.ru
199034, St. Petersburg, Russia

O. A. Shilova

Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences; St. Petersburg State Technological Institute (Technical University); St. Petersburg State Electrotechnical University “LETI”

Author for correspondence.
Email: tikhonov_p-a@mail.ru
199034, St. Petersburg, Russia; 190013, St. Petersburg, Russia; 197376, St. Petersburg, Russia

References

  1. Miranda P.E. Science and Engineering of Hydrogen-Based Energy Technologies: Hydrogen Production and Practical Applications in Energy Generation. Elsevier Science & Technology. 2018. 326 p. ISBN: 9780128142516.
  2. Pachauri R.P., Chauhan Y.K. A study, analysis and power management schemes for fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 43. P. 1301–1319.
  3. Tarancón A. Strategies for Lowering Solid Oxide Fuel Cells Operating Temperature // Energies. 2009. V. 2. P. 1130–1150.
  4. Wincewicz K., Cooper J. Taxonomies of SOFC Material and Manufacturing Alternatives // J. Power Sources. 2005. V. 140. № 2. P. 280–296.
  5. Steele B.C.H. Materials for IT-SOFC Stacks 35 years R&D: the Inevitability of Gradualness // Solid State Ionics. 2000. V. 134. P. 3–20.
  6. Ma B., Balachandran U. Phase stability of SrFeCo0.5 in reducing environment // Mat. Res. Bull. 1998. V. 33. P. 223–236.
  7. Hendriksen P.V., Larsen P.H., Mogensen M., Poulsen F.W., Wiik K. Prospects and problems of dense oxygen permeable membranes // Catal. Today. 2000. V. 56. P. 283–295.
  8. McIntosh S., Vente J.F., Haije W.G., Blank D.H.A., Bouwmeester H.J.M. Phase stability and oxygen nonstoichiometry of SrCo0.8Fe0.2O3 – measured by in situ neutron diffraction // Solid State Ionics. 2006. V. 177. P. 833–842.
  9. Sadykov V., Usoltsev V., Yeremeev N., Mezentseva N., Pelipenko V., Krieger T., Belyaev V., Sadovskaya E., Muzykantov V., Fedorova Yu., Lukashevich A., Ishchenko A., Salanov A., Okhlupin Yu., Uvarov N., Smorygo O., Arzhannikov A., Korobeynikov M., Thumm Ma K.A. Functional nanoceramics for intermediate temperature solid oxide fuel cells and oxygen separation membranes // J. European Ceramic Society. 2013. V. 33. № 12. P. 2241–2250.
  10. Брэгг У., Кларингбул Г. Кристаллическая структура минералов. М.: Мир, 1967. 341 с.
  11. Jun A., Kim. J., Shin J., Kim. G. Perovskite as a cathode material: a review of its role in solid-oxide fuel cell technology // ChemElectroChem. 2016. V. 3. P. 511–530.
  12. Sadykov V.A., Pavlova S.N., Kharlamova T.S., Muzykantov V.S., Ishchenko A.V., Bobin A.S., Mezentseva N.V., Alikina G.M., Lukashevich A.I., Krieger T.A., Larina T.V., Bulgakov N.N., Tapilin V.M., Belyaev V.D., Sadovskaya E.M., Boronin A.I., Uvarov N.F., Sobyanin V.A., Okhlupin Y.S., Bobrenok O.F., Smirnova A.L., Smorygo O.L., Kilner J.A. Perovskites and their nanocomposites with fluorite-like oxides as materials for solid oxide fuel cells cathodes and oxygen-conducting membranes: mobility and reactivity of the surface/bulk oxygen as a key factor of their performance // Perovskites: structure, properties and uses, Nova Science Publishers, Inc. 2010. P. 67–178.
  13. Egorova T.L., Kalinina M.V., Simonenko E.P., Simonenko N.P., Shilova O.A., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. Liquid-Phase Synthesis and Physicochemical Properties of Xerogels, Nanopowders and Thin Films of the CeO2–Y2O3 System // Russian J. Inorganic Chemistry. 2016. V. 61. № 9. P. 1061–1069.
  14. Kalinina M.V., Morozova L.V., Egorova T.L., Arsent’ev M.Yu., Drozdova I.A., Shilova O.A. Synthesis and Physicochemical Properties of a Solid Oxide Nanocomposite Based on a ZrO2–Y2O3–Gd2O3–MgO System // Glass Physics and Chemistry. 2016. V. 42. № 5. P. 505–511.
  15. Callow R.C.A. Computer Modelling in Inorganic Crystallography. London: Academic Press. 1997. 340 p.
  16. Bernholc J. Computational Materials Science: The Era of Applied Quantum Mechanics // Phys. Today. 1999. V. 52. № 9. P. 30–35.
  17. Duran P., Villegas M., Capel F., Recio P., Moure C. Low temperature sintering and microstructural development of nano scale Y-TZP ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 1996. № 16. 945 p.
  18. Тихонов П.А., Кузнецов А.К., Кравчинская М.В. Прибор для измерения электронной и ионной проводимости окисных материалов // Заводская лаборатория. 1978. № 7. С. 837–838.
  19. Soler J.M., Artacho E., Gale J.D., Garcia A., Junquera J., Ordejon P., Sanchez-Portal D. The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation // J. Phys. Condens. Matter. 2002. V. 14. № 11. P. 2745–2779.
  20. Калинина М.В., Дюскина Д.А., Хамова Т.В., Ефимова Л.Н., Шилова О.А.Синтез и исследование нанопорошков и керамики системы La2O3–SrO–Ni(Co,Fe)2O3 // Перспективные материалы. 2022. № 5. С. 49–57.
  21. Пальгуев С.Ф., Гильдерман В.К., Земцов В.И. Высокотемпературные оксидные электронные проводники для электрохимических устройств. М.: Наука, 1990. 197 с. ISBN 5-02-001490-7.
  22. Hammer B., Hansen L.B., Norskov J.K. Improved adsorption energetics theory perdew-Burke-Ernzerhof functional // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 11. P. 7413–7421.
  23. Bull C.L., Gleeson D., Knight K.S. Determination of B-site ordering of metal perovskites La2CoMnO6 and La2NiMnO6 // J. Phys. Condens. Matter. 2003. V. 15. № 29. P. 4927–4936.
  24. Ярославцев И.Ю., Богданович Н.М., Вдовин Г.К., Демьяненко Т.А., Бронин Д.И., Исупова Л.А. Катоды на основе никелато-ферритов редкоземельных металлов, изготовленные с применением промышленного сырья для твердооксидных топливных элементов // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 6. С. 611–617.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (123KB)
3.

Download (100KB)
4.

Download (129KB)
5.

Download (86KB)
6.

Download (62KB)
7.

Download (290KB)
8.

Download (85KB)

Copyright (c) 2023 М.В. Калинина, Д.А. Дюскина, И.Г. Полякова, М.Ю. Арсентьев, О.А. Шилова

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».