Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария


 


Владельцы патента RU 2495854:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным композитным электролитам, и может быть использовано в средне- и высокотемпературных электрохимических устройствах. Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, имеет состав, отвечающий формуле xBaCe0.8Sm0.2O3-δ-(1-x)Ce0.8Sm0.2O2-δ, где x=0.3, 0.5, 0.7. Технический результат заключается в расширении ряда твердых электролитов на основе оксида церия и церата бария, обладающих повышенной термодинамической стабильностью в присутствии паров воды и углекислого газа при сохранении или повышении уровня ионной проводимости. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным композитным электролитам, и может быть использовано в средне- и высокотемпературных электрохимических устройствах.

Известен твердый электролит на основе оксида церия, допированный самарием (Ce0.8Sm0.2O2-δ, CSO) (M.R. Kosinski, R.Т. Baker. J. Power Sources. 196 (2011), p.2498) [1], а также твердый электролит на основе церата бария, допированный самарием (BaCe0.8Sm0.2O3-δ, BCS) (E. Gorbova, V. Maragou, D. Medvedev, A. Demina, P. Tsiakaras. J.Power Sources. 181 (2008), p.207-213) [2], обладающие высокой ионной проводимостью. Однако известный электролит [1] обладает высокой электронной проводимостью в восстановительных атмосферах, что снижает эффективность работы электрохимических устройств, а электролит [2] характеризуется низкой термодинамической стабильностью в атмосферах, содержащих пары воды и углекислого газа, что приводит к образованию новых фаз в электролите и снижению его электрической проводимости.

Наиболее близким по составу к предлагаемому изобретению является твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, отвечающий формуле 0.367BaCe0.8Sm0.2O3-δ-0.633Ce0.8Sm0.2O2-δ (W. Sun, Y. Jiang, Y. Wang, S. Fang, Z. Zhu, W. Liu, J. Power Sources. 196 (2011), p.62) [3]. Исследования известного электролита, полученного при массовом отношении фазы перовскита к фазе флюорита 1:1, выявили его повышенную устойчивость к парам воды и углекислого газа и высокий уровень ионной проводимости.

Задача настоящего изобретения состоит в расширении ряда твердых электролитов на основе оксида церия и церата бария, обладающих повышенной устойчивостью к парам воды и углекислого газа и высоким уровнем ионной проводимости.

Для решения поставленной задачи заявлен твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, при том, что состав твердого электролита отвечает формуле xBaCe0.8Sm0.2O3-δ-(1-x)Ce0.8Sm0.2O2-δ, где x=0.3, 0.5, 0.7.

Заявляемый двухфазный твердый электролит характеризуется массовыми отношениями фазы перовскита к фазе флюорита 0.447:0.553, 0.654:0.346, 0.815:0,185, что соответствует составу xBaCe0.8Sm0.2O3-δ-(1-x)Ce0.8Sm0.2O2-δ, где x=0.3, 0.5, 0.7. При этом увеличение флюоритной фазы (оксид церия) в композите данного электролита приводит к повышению термодинамической стабильности материала к парам воды и углекислого газа, а увеличение перовскитной фазы (церат бария) в композите - к снижению его электронной проводимости в восстановительной атмосфере, и, как следствие, к росту ионной проводимости. Экспериментально установлено, что при массовом соотношении фазы перовскита к фазе флюорита 0.447:0.553, 0.654:0.346, 0.815:0.185 - твердый электролит обладает преимуществами обеих фаз, а именно: и повышенной термодинамической стабильностью, и высокой ионной проводимостью. При значении x, близком к 0 или 1, данный эффект практически не проявляется.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении ряда твердых электролитов на основе оксида церия и церата бария, обладающих повышенной термодинамической стабильностью в присутствии паров воды и углекислого газа при сохранении или повышении уровня ионной проводимости.

Изобретение иллюстрируется следующим. На рисунке представлены рентгенограммы порошков заявленного электролита xBaCe0.8Sm0.2O3-δ-(1-x)Ce0.8Sm0.2O2-δ, при x=0.3; 0,5; 0,7. При этом черный кружок - фаза на основе церата бария, белый - на основе оксида церия. В таблице приведены результаты измерения электропроводности образцов заявленного твердого электролита, образца прототипа.

Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, получали методом самовоспламеняющегося синтеза из прекурсоров Ba(NO3)2, Ce(NO3)3·6H2O, Sm(NO3)3·6H2O и глицерина C3H8O3. Образцы синтезировали при температуре 1100°С в течение 3 ч и спекали при температуре 1550°C в течение 3 ч.

Рентгенофазовый анализ показал, что образцы заявленного электролита являются двухфазными твердыми растворами, состоящими из перовскитной (пространственная группа Pmcn) и флюоритной (Fm3m) фаз. Электропроводность материалов измеряли 4-зондовым методом на постоянном токе в интервале температур 500-700°C во влажном воздухе. Результаты измерений при 500°C и 700°C приведены в таблице. Из полученных данных следует, что образцы заявленного твердого электролита при 500°C не уступают по электропроводности образцу прототипа, а при 700°C превосходят ее в 5-6 раз. Вместе с тем повышенная термодинамическая стабильность образцов заявленного электролита в присутствии паров воды и углекислого газа обеспечивается флюоритовой фазой композита - оксидом церия.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет расширить ряд твердых электролитов на основе оксида церия и церата бария с высокой ионной проводимостью и термодинамической стабильностью в присутствии паров воды и углекислого газа.

Таблица
Образец электролита прототипа Электропроводность на воздухе, См·см-1 N п/п Образцы заявленного электролита Электропроводность на воздухе, См·см-1
При 500°C При 700°C При 500°C При 700°C
0.367BaCe0.8Sm0.2O3-δ-0.633Ce0.8Sm0.2O2-δ 4.0·10-3 4.7·10-2 1 0,3BaCe0.8Sm0.2O3-δ-0,7Ce0.8Sm0.2O2-δ 4.5·10-3 25·10-2
2 0,5BaCe0.8Sm0.2O3-δ-0,5Ce0.8Sm0.2O2-δ 4.0·10-3 20·10-2
3 0,7BaCe0.8Sm0.2O3-δ-0,3Ce0.8Sm0.2O2-δ 5.2·10-3 19·10-2

Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, отличающийся тем, что состав твердого электролита отвечает формуле xBaCe0,8Sm0,2O3-δ-(1-x)Ce0,8Sm0,2O2-δ, где x=0,3, 0,5, 0,7.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области получения керамики. .

Изобретение относится к тугоплавким неметаллическим материалам и может быть использовано для получения эффективных защитных покрытий нагревательных элементов на основе хромита лантана, работающих в воздушной атмосфере.
Изобретение относится к области получения высокотемпературных неметаллических материалов на основе хромита лантана, которые могут быть применены для изготовления высокотемпературных установок, работающих до 1850°С, и тепловыделяющих элементов для применения в окислительных средах.
Изобретение относится к флуоресцентной керамике для использования в детекторе ионизирующего излучения, а также способу ее изготовления. .

Изобретение относится к материалам спиновой электроники - спинтронике, способным служить источниками спинов - спиновыми инжекторами при комнатных и выше температурах в гетероструктурах ФП/П, где ФП - ферромагнитный полупроводниковый материал или ферромагнитный композит, П - немагнитный полупроводник или спиновый приемник.
Изобретение относится к материалу на основе хромита лантана, предназначенного для проницаемого тепловыделяющего элемента, используемого в окислительных средах. .

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначенной для регистрации -, -, - и рентгеновского излучения, и может быть использовано в радиационной технике, в дозиметрии, в ядерно-физических экспериментальных исследованиях, для контроля доз и спектрометрии -, -, - и рентгеновского излучения.

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям. Газоплотную керамику со структурой майенита предложено использовать в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей.

Изобретение относится к композиционным мембранным материалам для очистки жидкости, в частности питьевой воды. .

Изобретение относится к области производства катализаторов для химической и нефтехимической промышленности, которые могут быть использованы в процессах превращения спиртов с целью получения удобных и экологически чистых видов энергоносителей и перспективных химических продуктов.
Изобретение относится к композитным материалам из керамических полых волокон и может быть использовано при изготовлении керамических мембран для концентрирования кислорода из содержащих кислород текучих сред или для проведения реакций окисления при обеспечении потока кислорода в материале по меньшей мере 0,01 нсм3/(мин·см2) при 950°С и разнице парциального давления кислорода между двумя свободными газовыми фазами 0,2 бар.
Изобретение относится к технологии изготовления пористых фильтрующих материалов для фильтрации жидкостей, очистки газовых потоков и проведения других процессов разделения материалов.

Изобретение относится к технологии получения разделительных микропористых мембран, которые могут быть использованы для отделения таких молекул, как водород, азот, аммиак, вода, друг от друга и/или от малых органических молекул, таких как алканы, алканолы, простые эфиры и кетоны.

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к созданию наномембранных фильтров в виде пленок с наноразмерными отверстиями для использования в качестве фильтров сверхтонкой очистки жидкостей и газов, или для селективной фильтрации атомов определенного размера, или в биотехнологии для очистки и концентрирования вирусов.

Изобретение относится к области мембранного извлечения чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород. .

Изобретение относится к получению водородсодержащего газа в присутствии пористой каталитической мембраны и может быть использовано в промышленности при переработке возобновляемой биомассы.

Настоящее изобретение относится к получению водородсодержащего газа и может быть использовано в промышленности при переработке отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша в присутствии пористой мембранно-каталитической системы. Пористая каталитическая мембрана представляет собой продукт вибропрессования высокодисперсной смеси, содержащей никель и кобальт, взятых в соотношении 1:1, термообработанный в муфельной печи до температуры самовоспламенения, выдержанный, а затем охлажденный. Также предложен способ переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша, который включает переработку газообразных продуктов - метана, углекислого газа и растворенных в воде примесей органических веществ (метанол, этанол, метилэтилкетон, уксусную кислоту и ацетон) путем углекислотно-паровой конверсии в присутствии указанного каталитического модуля и осуществляемой при температуре 680-780°C, давлении 1-1,5 атм и скорости подачи исходной парогазовой смеси совместно с парами воды, выделяемой в процессе, 16000-96000 ч-1 с получением продуктов конверсии - синтез-газа и воды, очищенной от примесей органических веществ. Технический результат - эффективная переработка отходящих продуктов в синтез-газ, что позволяет увеличить выход ценных углеводородов; и очистка больших количеств воды, выделяемой в процессе. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл., 9 пр.
Наверх