Структура, подвижность кислорода и электрохимические характеристики материалов La1.7Ca0.3Ni1 – xCuxO4 + δ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Фазы Раддлесдена–Поппера являются одними из наиболее многообещающих материалов со смешанной ионной-электронной проводимостью, предназначенных для таких устройств, как кислородпроводящие мембраны, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и электролизеры (ТОЭ), работающих в области средних температур. Перспективность этих материалов в данных применениях обеспечивается их высокими значениями общей проводимости и подвижности кислорода. В настоящей работе было проведено исследование структурных свойств, подвижности кислорода и электрохимических характеристик перспективных материалов La1.7Ca0.3Ni1 – xCuxO4 + δ (x = 0–0.4). По данным прецизионного РФА, все полученные материалы являются однофазными и обладают тетрагональной структурой. Параметр элементарной ячейки c и объем ячейки увеличиваются при допировании медью. Содержание сверхстехиометрического междоузельного кислорода уменьшается при допировании, составы с высоким содержанием меди становятся дефицитными по кислороду. Для образцов характерна неоднородность подвижности кислорода. В целом наблюдается тенденция уменьшения кислородной подвижности в серии образцов La1.7Ca0.3Ni1 – xCuxO4 + δ при увеличении содержания Cu. Исследование электродов с La1.7Ca0.3Ni1 – xCuxO4 + δ функциональными слоями методом импедансной спектроскопии показало значительное увеличение электрохимической активности электродов с содержанием меди x > 0.2. Проведен анализ факторов, влияющих на производительность электродов. Результаты, полученные в исследовании, демонстрируют, что материал La1.7Ca0.3Ni0.6Cu0.4O4 + δ является перспективным для применения в качестве воздушных электродов в электрохимических устройствах.

Об авторах

В. А. Садыков

Федеральный исследовательский центр Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Email: sadykov@catalysis.ru
Россия, Новосибирск

Е. М. Садовская

Федеральный исследовательский центр Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Новосибирск

Н. Ф. Еремеев

Федеральный исследовательский центр Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Новосибирск

Т. Ю. Максимчук

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; Уральский федеральный университет

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

С. М. Пикалов

Институт металлургии УрО РАН

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург

Е. А. Филонова

Уральский федеральный университет

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург

Н. С. Пикалова

Уральский федеральный университет; Институт металлургии УрО РАН

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

А. Р. Гилев

Уральский федеральный университет

Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург

Е. Ю. Пикалова

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.pikalova@list.ru
Россия, Екатеринбург; Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Твердооксидные топливные элементы: проблемы, пути решения, перспективы развития и коммерциализации. Аналитический обзор [Электронный ресурс]: ФГБНУ “НИИ – Республиканский исследовательский научно-консультационный центр экспертизы”. Москва, 2015. 21 с. – Режим доступа: https:// studylib.ru/doc/2616406/tverdooksidnye-toplivnye-e-lementy-problemy-puti-resheniya (дата обращения: 05.07.2022).
  2. Ahmad, M.Z., Ahmad, S.H., Chen, R.S., Ismail, A.F., Hazan, R., and Baharuddin, N.A., Review on recent advancement in cathode material for lower and intermediate temperature solid oxide fuel cells application, Int. J. Hydrog. Energy, 2022, vol. 47, no. 2, p. 1103.
  3. Kilner, J.A. and Burriel, M., Materials for intermediate-temperature solid-oxide fuel cells, Ann. Rev. Mat. Res., 2014, vol. 44, no. 1, p. 365.
  4. Hanif, M.B., Motola, M., Rauf, S., Li, C.J., and Li, C.X., Recent advancements, doping strategies and the future perspective of perovskite-based solid oxide fuel cells for energy conversion, Chem. Eng. J., 2022, vol. 428, p. 132603.
  5. Han, N., Shen, Z., Zhao, X., Chen, R., and Thakur, V.K., Perovskite oxides for oxygen transport: chemistry and material horizons, Sci. Total Environ., 2022, vol. 806, no. 3, p.151213.
  6. Tarutin, A.P., Lyagaeva, J.G., Medvedev, D.A., Bi, L., and Yaremchenko, A.A., Recent advances in layered Ln2NiO4 + δ nickelates: fundamentals and prospects of their applications in protonic ceramic fuel and electrolysis cells, J. Mater. Chem. A., 2021, vol. 9, p. 154.
  7. Садыков, В.А., Садовская, Е.М., Еремеев, Н.Ф., Скрябин, П.И., Краснов, А.В., Беспалко, Ю.Н., Павлова, С.Н., Федорова, Ю.Е., Пикалова, Е.Ю., Шляхтина, А.В. Подвижность кислорода материалов твердооксидных топливных элементов и каталитических мембран (обзор). Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 899. [Sadykov, V.A., Sadovskaya, E.M., Eremeev, N.F., Skriabin, P.I., Krasnov, A.V., Bespalko, Yu.N., Pavlova S.N., Fedorova Yu.E., Pikalova E.Yu., and Shlyakhtina, A.V., Oxygen mobility in the materials for solid oxide fuel cells and catalytic membranes (review), Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 701.]
  8. Shen, Y., Zhao, H., Xu, J., Zhang, X., Zheng, K., and Świerczek, K., Effect of ionic size of dopants on the lattice structure, electrical and electrochemical properties of La2 – xMxNiO4 + δ (M = Ba, Sr) cathode materials, Int. J. Hydrog. Energy, 2014, vol. 39, p. 1023.
  9. Wu, X., Gu, C., Cao, J., Miao, L., Fu, C., and Liu, W., Investigations on electrochemical performance of La2NiO4 + δ cathode material doped at A-site for solid oxide fuel cells, Mat. Res. Express, 2020, vol. 7, no. 2, p. 065507.
  10. Кольчугин, А.А., Пикалова, Е.Ю., Богданович, Н.М., Бронин, Д.И., Филонова, Е.А. Электрохимические свойства электродов на основе допированного никелата лантана. Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 928. [Kol’chugin, A.A., Pikalova, E.Yu., Bogdanovich, N.M., Bronin, D.I., and Filonova, E.A., Electrochemical properties of doped lantanum–nickelate-based electrodes, Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 826.]
  11. Pikalova, E., Sadykov, V., Sadovskaya, E., Yeremeev, N., Kolchugin, A., Shmakov, A., Vinokurov, Z., Mishchenko, D., Filonova, E., and Belyaev V., Correlation between structural and transport properties of Ca-doped La nickelates and their electrochemical performance, Crystals, 2021, vol.11, p. 297.
  12. Tealdi, C., Ferrara, C., Mustarelli, P., and Islam, M.S., Vacancy and interstitial oxide ion migration in heavily doped La2 – xSrxCoO4 ± δ, J. Mater. Chem., 2012, vol. 22, no. 18, p. 8969.
  13. Aspera, S.M., Sakaue, M., Wungu, T.D.K., Alaydrus, M., Linh, T.P.T., Kasai, H., Nakanishi, M., and Ishihara, T., Analysis of structural and electronic properties of Pr2NiO4 through first-principles calculations, J. Phys. Condens. Matter., 2012, vol. 24, p. 405504.
  14. Forslund, R.P., Hardin, W.G., Rong, X., Abakumov, A.M., Filimonov, D., Alexander, C.T., Mefford, J.T., Iyer, H., Kolpak, A.M., Johnston, K.P., and Stevenson, K.J., Exceptional electrocatalytic oxygen evolution via tunable charge transfer interactions in La0.5Sr1.5Ni1 – xFexO4 ± δ Ruddlesden–Popper oxides, Nat. Commun., 2018, vol. 9, p. 3150.
  15. Meyer, T.L., Jacobs, R., Lee, D., Jiang, L., Freeland, J.W., Sohn, C., Egami, T., Morgan, D., and Lee, H.N., Strain control of oxygen kinetics in the Ruddlesden-Popper oxide La1.85Sr0.15CuO4, Nat. Commun., 2018, vol. 9, no. 1, p. 92.
  16. Lee, D. and Lee, H.N., Controlling oxygen mobility in Ruddlesden–Popper oxides, Materials, 2017, vol. 10, no. 4, p. 368.
  17. Allan, N.L. and Mackrodt, W.C., Oxygen ion migration in La2CuO4, Philos. Mag. A, 1991, vol. 64, p. 1129.
  18. Пикалова, Е.Ю., Калинина, Е.Г. Подходы к повышению эффективности твердооксидных топливных элементов на основе керамических мембран со смешанной проводимостью. Успехи химии. 2021. Т. 90. № 6. С. 703. [Pikalova, E.Yu. and Kalinina, E.G., Solid oxide fuel cells based on ceramic membranes with mixed conductivity: improving efficiency, Russ. Chem. Rev., 2021, vol. 90, no. 6, p. 703.]
  19. Rietveld, H.M., A profile refinement method for nuclear and magnetic structures, J. Appl. Crystallogr., 1969, vol. 2, p. 65.
  20. FullProf Suite. Crystallographic tools for Rietveld, profile matching and integratedintensity refinements of X‑ray and/or neutron data. – Режим доступа: https://www.ill.eu/sites/fullprof/ (дата обращения: 05.07.2022).
  21. Wan, T.H., Saccoccio, M., Chen, C., and Ciucci, F., Influence of the discretization methods on the Distribution of Relaxation Times deconvolution: implementing radial basis functions with DRTtools, Electrochim. Acta, 2015, vol. 184, p. 483.
  22. Гаврилюк, А.Л., Осинкин, Д.А., Бронин, Д.И. О применении метода регуляризации Тихонова для вычисления функции распределения времен релаксации в импедансной спектроскопии. Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 651. [Gavrilyuk, A.L., Osinkin, D.A., and Bronin, D.I., The use of Tikhonov regularization method for calculating the distribution function of relaxation times in impedance spectroscopy, Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 575.]
  23. Shannon, R.D., Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Crystallogr., 1976, vol. 32, p. 7851.
  24. Tarutin, A.P., Lyagaeva, J.G., Farlenkov, A.S., Vylkov, A.I., and Medvedev, D.M., Cu-substituted La2NiO4 + δ as oxygen electrodes for protonic ceramic electrochemical cells, Ceram. Int., 2019, vol. 45, p. 16105.
  25. Sakai, M., Wang, C., Okiba, T., Soga, H., Niwa, E., and Hashimoto, T., Thermal analysis of structural phase transition behavior of Ln2Ni1 – xCuxO4 + δ (Ln = Nd, Pr) under various oxygen partial pressures, J. Therm. Anal. Calorim., 2019, vol. 135, p. 2765.
  26. Gilev, A.R., Kiselev, E.A., Zakharov, D.M., and Cherepanov, V.A., Effect of calcium and copper/iron co-doping on defect–induced properties of La2NiO4-based materials, J. Alloy. Compd., 2018, vol. 27, p. 491.
  27. Nakamura, T., Oike, R., Ling, Y., Tamenori, Y., and Amezawa, K., Determining factor for the interstitial oxygen formation in Ruddlesden–Popper type La2NiO4-based oxides, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, vol. 18, no. 3, p. 491.
  28. Sadykov, V.A., Eremeev, N.F., Sadovskaya, E.M., Shlyakhtina, A.V., Pikalova, E.Y., Osinkin, D.A., and Yaremchenko, A.A., Design of materials for solid oxide fuel cells, permselective membranes, and catalysts for biofuel transformation into syngas and hydrogen based on fundamental studies of their real structure, transport properties, and surface reactivity, Curr. Opin. Green Sustain. Chem., 2022, vol. 33, p. 100558.
  29. Li, X. and Benedek, N.A., Enhancement of ionic transport in complex oxides through soft lattice modes and epitaxial strain, Chem. Mater., 2015, vol. 27, p. 2647.
  30. Maksimchuk, T., Filonova, E., Mishchenko, D., Eremeev, N., Sadovskaya, E., Bobrikov, I., Fetisov, A., Pikalova, N., Kolchugin, A., Shmakov, A., Sadykov, V., and Pikalova, E., High-temperature behavior, oxygen transport properties, and electrochemical performance of Cu-substituted Nd1.6Ca0.4NiO4 + δ electrode materials, Appl. Sci., 2022, vol. 12, no. 8, p. 3747.
  31. Miyoshi, S., Furuno, T., Sangoanruang, O., Matsumoto, H., and Ishihara, T., Mixed conductivity and oxygen permeability of doped Pr2NiO4-based oxides, J. Electrochem. Soc., 2007, vol. 154, p. B57.
  32. Sadykov, V.A., Sadovskaya, E.M., Filonova, E.A., Eremeev, N.F., Belyaev, V.D., Tsvinkinberg, V.A., and Pikalova, E.Yu., Oxide ionic transport features in Gd-doped La nickelates, Solid State Ionics, 2020, vol. 357, p. 115462.
  33. Filonova, E.A., Pikalova, E.Yu., Maksimchuk, T.Y., Vylkov, A.I., Pikalov, S.M., and Maignan, A., Crystal structure and functional properties of Nd1.6Ca0.4Ni1 – yCuyO4 + δ as prospective cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells, Int. J. Hydrog. Energy, 2021, vol. 46, no. 32, p. 17037.
  34. Escudero, M.J., Aguadero, A., Alonso, J.A., and Daza, L.A., Kinetic study of oxygen reduction reaction on La2NiO4 cathodes by means of impedance spectroscopy, J. Electroanal. Chem., 2007, vol. 611, nos. 1–2, p. 107.
  35. Antonova, E.P., Khodimchuk, A.V., Usov, G.R., Tropin, E.S., Farlenkov, A.S., Khrustov, A.V., and Ananyev, M.V., EIS analysis of electrode kinetics for La2NiO4 cathode in contact with Ce0.8Sm0.2O1.9 electrolyte: from DRT analysis to physical model of the electrochemical process, J. Solid State Electrochem., 2019, vol. 23, p. 1279.
  36. Li, Z., Haugsrud, R., and Norby, T., Oxygen bulk diffusion and surface exchange in Sr-substituted La2NiO4 + δ, Solid State Ionics, 2011, vol. 184, no. 1, p. 42.
  37. Кольчугин, А.А., Пикалова, Е.Ю., Богданович, Н.М., Бронин, Д.И. Влияние меди на свойства катодов на основе La1.7Ca0.3NiO4+δ для твердооксидных топливных элементов. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 556. [Kolchugin, A.A., Pikalova, E.Yu., Bogdanovich, N.M., and Bronin, D.I., The effect of copper on the properties of La1.7Ca0.3NiO4 + δ-based cathodes for solid oxide fuel cells, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 483.]

© В.А. Садыков, Е.М. Садовская, Н.Ф. Еремеев, Т.Ю. Максимчук, С.М. Пикалов, Е.А. Филонова, Н.С. Пикалова, А.Р. Гилев, Е.Ю. Пикалова, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах