твердооксидный композитный материал для мембран электрохимических устройств

Формула изобретения

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)Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2 )_0.2O_2- - xSrTi_0.5Fe_0.5O_3- , где х=0,25; 0,50; 0,75.

Описание изобретения к патенту

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 Ce_0.8(Sm_1-xSr _x)_0.2O_2- (Zhan Gao, Xingmin Liu, Bill Bergman, Zhe Zhao. Enhanced ionic conductivity of Ce_0.8Sm_0.2 O_2- 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 SrTi_1-xFe_xO_3-x/2 (Svein Steinsvik, Renato Bugge, Jon Gjonnes, Johan Tafto, Truls Norby .The defect structure of SrTi_1-xFe_xO _3-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)Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2 )_0.2O_2- -xSrTi_0.5Fe_0.5O_3- , 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)Ce_0.8(Sm_0.8 Sr_0.2)_0.2O_2- - xSrTi_0.5F_0.5O_3- , 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] - (Ce_0.8(Sm_1-xSr_x)_0.2 O_2- ) - композитный материал обладает большей проводимостью в окислительной атмосфере, что позволяет использовать его в качестве мембран для получения кислорода. По сравнению с прототипом [2] - (SrTi_0.5Fe_0.5O_3- ) - 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)Ce _0.8(Sm_0.8Sr_0.2)_0.2O _2- - xSrTi_0.5Fe_0.5O_3- . 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 SrTi_0.5Fе _0.5O_3- , при этом светлые зерна соответствуют фазе флюорита, более темные - перовскитной фазе. На фиг.3 представлены данные сканирующей электронной микроскопии для системы 0,25 Ce_0.8 (Sm_0.8Sr_0.2)_0.2O_2- - 0,75 SrTi_0.5Fe_0.5O_3- . Фиг.4 иллюстрирует данные сканирующей электронной микроскопии для образца 0,5 Ce_0.8(Sm_0.8 Sr_0.2)_0.2O_2- - 0,5 SrTi_0.5Fe_0.5O_3- . На фиг.5 представлены данные сканирующей электронной микроскопии для системы 0,75 Ce_0.8(Sm_0.8 Sr_0.2)_0.2O_2- - 0,25 SrTi_0.5Fe_0.5O_3- . На фиг.6 - данные сканирующей электронной микроскопии для образца Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2 )_0.2O_2- . 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: - Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2) _0.2O_2- [1], - 0,75Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2 )_0.2O_2- - 0,25SrTi_0.5Fe_0.5O_3- ; - 0,50Ce_0.8(Sm_0.8Si_0.2 )_0.2O_2- - 0,50SeТi_0.5Fе_0.5O_3- ; -0,25Ce_0.8(Sm_0.8Sr_0.2 )_0.2O_2- - 0,75SrTi_0.5Fe_0.5O_3- , × - SrTi_0.5Fe_0.5O _3- [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.