Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств



Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств
Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств

 


Владельцы патента RU 2510385:

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

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным мембранным материалам, и может быть использовано, в частности, для получения кислорода или водорода. Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств содержит титанато-феррит стронция и представляет собой композит на основе содопированного оксида церия и титанато-феррита стронция, состав которого отвечает формуле (1-x)Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - xSrTi0.5Fe0.5O3-δ, где x=0,25; 0,50; 0,75. Материалы обладают свойствами, характерными для индивидуальных фаз. Технический результат - повышение устойчивости материала в восстановительной атмосфере при сохранении или повышении механической прочности и уровня общей электропроводности. 1 табл., 13 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным мембранным материалам, которые могут быть использованы в высокотемпературных электрохимических устройствах для получения водорода и/или кислорода.

Известен твердооксидный материал на основе оксида церия, содопированный стронцием и самарием Ce0.8(Sm1-xSrx)0.2O2-δ (Zhan Gao, Xingmin Liu, Bill Bergman, Zhe Zhao. Enhanced ionic conductivity of Ce0.8Sm0.2O2-δ by Sr addition // Journal of Power Sources 208 (2012) 225-231) [l]. Данный материал обладает высокой ионной проводимостью, значительной электронной проводимостью, стабильностью в восстановительной атмосфере, в связи с чем может применяться в качестве мембран для получения водорода. В тоже время данный материал характеризуется низким уровнем электронной (дырочной) проводимости в окислительной атмосфере, что делает невозможным применение данной керамики как мембраны для получения кислорода. Стоит отметить, что получение газоплотной керамики из известного материала (относительная плотность 98%) требует высоких температур спекания -1600°С.

Известный твердооксидный материал на основе титанато-феррита стронция SrTi1-xFexO3-x/2 (Svein Steinsvik, Renato Bugge, Jon Gjonnes, Johan Tafto, Truls Norby .The defect structure of SrTi1-xFexO3-y (x=0-0.8) investigated by electrical conductivity measurement and electron energy loss spectroscopy (EELS) J. Phis. Chem. Solids 58, 1997, 969-976) [3] характеризуется высокой ионно-электронной проводимостью как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере и может использоваться в качестве мембран для получения кислорода и водорода. Спекание в плотную керамику (относительная плотность ~90%) известного материала протекает при невысоких температурах порядка 1200-1350°С. Исследование свойств данного материала выявили его недостаточную термодинамическую стабильность в восстановительной атмосфере, низкую устойчивость к термоциклированию и низкую механическую прочность.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке твердооксидного материала мембран для получения водорода и/или кислорода с высокой термодинамической стабильностью и механической прочностью в условиях работы электрохимических устройств.

Для решения поставленной задачи заявлен твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств, содержащий титанато-феррит стронция, отличающийся тем, что материал представляет собой композит на основе содопированного оксида церия и титанато-феррита стронция, состав которого отвечает формуле (1-x)Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ-xSrTi0.5Fe0.5O3-δ, где х=0,25; 0,50; 0,75.

Заявляемый твердооксидный материал характеризуется массовыми отношениями фазы перовскита к фазе флюорита 0,25:0,75; 0,50:0,50; 0,75:0,25, что соответствует составу (1-x)Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - xSrTi0.5F0.5O3-δ, где х=0,25; 0,50; 0,75. При этом увеличение флюоритной фазы (содопированный оксид церия) в композите приводит к повышению термодинамической стабильности материала в восстановительной атмосфере, увеличению микротвердости керамики до 20%, росту электропроводности. Увеличение перовскитовой фазы (титанато-феррита стронция) в композите приводит к увеличению проводимости в окислительной области. Экспериментально установлено, что при массовом соотношений фазы перовскита к фазе флюорита 0,25:0,75; 0,50:0,50; 0,75:0,25 композитный материал обладает преимуществами обеих фаз, а именно: повышенной термодинамической стабильностью в восстановительной атмосфере, механической прочностью, а также высокой электронно-ионной проводимостью как в восстановительной, так и в окислительной атмосферах. Эффект увеличения проводимости композитных материалов по сравнению с аналогом и прототипом позволяет расширить область применения материалов. По сравнению с аналогом [1] - (Ce0.8(Sm1-xSrx)0.2O2-δ) - композитный материал обладает большей проводимостью в окислительной атмосфере, что позволяет использовать его в качестве мембран для получения кислорода. По сравнению с прототипом [2] - (SrTi0.5Fe0.5O3-δ) - заявленный материал обладает большей механической прочностью и стабильностью в восстановительной атмосфере, что позволяет более эффективно использовать его в качестве мембран для получения водорода. При значении x, близком к 0 или 1, данный эффект практически не проявляется, материалы обладают свойствами, характерными для индивидуальных фаз.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении устойчивости твердооксидного материала в восстановительной атмосфере при сохранении или повышении механической прочности и уровня общей электропроводности.

Материалы на основе оксида церия, содопированного редкоземельным элементом (самарий, гадолиний) и стронцием, а также титанато-феррита стронция получали методом твердофазного синтеза из соответствующих оксидов и карбонатов. Синтезированные в течение 10 часов при температуре 1050°С порошки были смешаны в необходимых соотношениях и спечены при температурах 1350-1550°С в течение 3 часов с целью получения газоплотной композитной керамики.

Изобретение иллюстрируется следующим. На фиг.1 представлены рентгенограммы порошков заявленного твердооксидного композитного материала (1-x)Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - xSrTi0.5Fe0.5O3-δ. Рентгенофазовый анализ показал, что спеченные образцы заявленного композитного материала являются двухфазными, состоящими из перовскитной (пространственная группа Pm3m) и флюоритной фаз (пространственная группа Fm3m). Фиг.2 иллюстрирует данные сканирующей электронной микроскопии для образца SrTi0.50.5O3-δ, при этом светлые зерна соответствуют фазе флюорита, более темные - перовскитной фазе. На фиг.3 представлены данные сканирующей электронной микроскопии для системы 0,25 Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - 0,75 SrTi0.5Fe0.5O3-δ. Фиг.4 иллюстрирует данные сканирующей электронной микроскопии для образца 0,5 Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - 0,5 SrTi0.5Fe0.5O3-δ. На фиг.5 представлены данные сканирующей электронной микроскопии для системы 0,75 Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - 0,25 SrTi0.5Fe0.5O3-δ. На фиг.6 - данные сканирующей электронной микроскопии для образца Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ. На фиг.7 представлено распределение элемента - кислорода в композитном материале при х=0,50. На фиг.8 - распределение элемента титана в композитном материале при х=0,50. На фиг.9 - распределение элемента железа в композитном материале при х=0,50. На фиг.10 - распределение элемента стронция в композитном материале при х=0,50. На фиг.11 представлено распределение элемента церия в композитном материале при х=0,50. На фиг.12 представлено распределение элемента самария в композитном материале при х=0,50. Фиг.13 иллюстрирует зависимость электропроводности образцов базовых составов и композитной керамики в зависимости от парциального давления кислорода. На данной фигуре введены обозначения, соответствующие определенному составу исследуемых материалов: ■ - Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ [1], ♦ - 0,75Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - 0,25SrTi0.5Fe0.5O3-δ; ▲ - 0,50Ce0.8(Sm0.8Si0.2)0.2O2-δ - 0,50SeТi0.50.5O3-δ; ● -0,25Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - 0,75SrTi0.5Fe0.5O3-δ, × - SrTi0.5Fe0.5O3-δ [2]). В таблице приведены результаты измерения микротвердости, электропроводности при 600, 900°С и температуры спекания образцов заявленного материала и образцов аналогов.

Из полученных данных изотермической зависимости электропроводности следует, что образцы заявленного материала обладают высокой электронной (дырочной) проводимостью в окислительной области по сравнению с аналогом [1], что обеспечено присутствием фазы перовскита; высокой ионно-электронной проводимостью и механической прочностью по сравнению с прототипом [2], что связано с присутствием фазы флюорита. Полученные свойства заявленного материала позволяют расширить область его применения.

Таким образом, разработан твердооксидный композитный материал, обладающий повышенной устойчивостью в восстановительной атмосфере, с высоким уровнем общей электропроводности и механической прочностью, пригодный для использования в качестве мембран для получения водорода и кислорода.

Твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств, содержащий титанато-феррит стронция, отличающийся тем, что материал представляет собой композит на основе содопированного оксида церия и титанато-феррита стронция, состав которого отвечает формуле (1-x)Ce0.8(Sm0.8Sr0.2)0.2O2-δ - xSrTi0.5Fe0.5O3-δ, где х=0,25; 0,50; 0,75.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пьезоэлектрическим керамическим материалам и может быть использовано в низкочастотных приемных устройствах, гидрофонах, сонарах, работающих в гидростатическом режиме, акустических приемниках, датчиках давления.
Изобретение относится к способам получения порошков фаз слоистых титанатов ряда s- и p-элементов (ВСПС), которые являются основой пьезоматериалов, широко применяющихся в современной аэрокосмической промышленности.

Изобретение относится к пьезокерамическим материалам и может быть использовано при создании пьезопреобразователей для приборов высокотемпературной виброметрии, УЗ-аппаратуры для дефектоскопии и дефектометрии, УЗ-медицинской диагностической аппаратуры, геофизической УЗ-аппаратуры и высокочастотной гидроакустической аппаратуры (звуковидение).

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению титанатов щелочноземельных металлов или свинца, частично замещенных железом, и может быть использовано для производства материалов газовых сенсоров, работающих при высоких (выше 1000°C) температурах, а также материалов, обладающих важными для практического использования электрическими, магнитными, оптическими и магнитооптическими характеристиками.

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению титанатов щелочноземельных металлов или свинца, частично замещенных железом, и может быть использовано для производства материалов газовых сенсоров, работающих при высоких (выше 1000°C) температурах, а также материалов, обладающих важными для практического использования электрическими, магнитными, оптическими и магнитооптическими характеристиками.

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к способам получения огнеупорных материалов на основе титаната алюминия, и может найти применение в производстве высокопрочной огнеупорной керамики, обладающей низким термическим коэффициентом линейного расширения и предназначенной для использования в цветной металлургии для футеровки систем транспортировки, распределения и приема расплавов алюминия и его сплавов.
Изобретение относится к высокотемпературным материалам, предназначенным для изготовления изделий, используемых в условиях значительных термических нагрузок, например элементов литниковых систем, фурм для продувки металлических расплавов, труб для защиты металла от окисления, тиглей, изложниц, разливочных желобов, чехлов термопар, деталей агрегатов обжига и др.

Изобретение относится к композициям на основе титаната висмута, предназначенным для получения сегнетоэлектрических материалов, и может быть использовано в микроэлектронике для усовершенствования перепрограммируемых запоминающих устройств, а также в акусто- и оптоэлектронике для модернизации радиотехнических конденсаторов, пьезоэлектрических преобразователей и фильтров, гидроакустических устройств, пироэлектрических приемников инфракрасного излучения.
Изобретение относится к пиро- и пьезоэлектрическим керамическим материалам на основе комплексных оксидов и может быть использовано для создания рабочих элементов датчиков пироэлектрических приемников теплового излучения в системах пожарной и охранной сигнализации и в пьезоэлектрических изделиях, используемых в качестве преобразователей в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах.

Изобретение относится к разработке новых материалов с магнитным состоянием спинового стекла - системы с вырожденным основным магнитным состоянием, которые могут быть полезны для химической, атомной промышленностей и развития магнитных информационных технологий.

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, а именно к устройствам для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм в непрерывном, импульсном или импульсно-периодическом режимах.

Изобретение относится к способу получения пористых, пленочных материалов на основе карбоксиметилцеллюлозы и может быть использовано при производстве пленок, при получении искусственных почв или в медицине, например в качестве средства профилактики образования послеоперационных спаек при операциях на органах, или в качестве водопоглощающих материалов для удаления слезы в офтальмологии.
Наверх