TY - JOUR

T1 - ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТОННЫХ ПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ BA4CA2NB2O11 И LA6WO12 К СО2

AU - Корона, Д. В.

AU - Партин, Г. С.

AU - Анимица, И. Е.

AU - Шарафутдинов, А. Р.

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Для создания эффективного топливного элемента на базе высокотемпературного протонного проводника необходимо разработать долговечный протонный электролит. В общем случае долговременная химическая устойчивость фазы к СО2 обусловлена термодинамикой (невозможность реакции) или кинетикой взаимодействия (замедление реакции). В данной работе проведено сравнение химической устойчивости по отношению к СО2 (как термодинамической, так и связанной с кинетическими затруднениями) перспективных высокотемпературных протонных проводников на базе двойного перовскита Ba4-хCa2+хNb2O11 ( х = 0,4; 0; -0,4) и двойного флюорита La6-хWO12-1,5 ( х = 0,4; 0,6; 0,8; 1). Температура устойчивости к СО2 (выше которой фаза стабильна к СО2, ниже которой фаза взаимодействует с СО2) является важной технической характеристикой термодинамической устойчивости фазы к СО2: чем ниже температура устойчивости, тем стабильнее фаза к СО2. В работе применялись методы твердофазного синтеза, РФА, термогравиметрии с масс-спектрометрией и для измерения электропроводности - метод импеданса. Установлено, что материалы на базе La6WO12 относительно термодинамически устойчивы в обычном воздухе с СО2 (10-3 атм) в рабочем диапазоне 650-1 000 ºС (верхняя граница рабочих температур твердооксидного топливного элемента составляет 1 000 ºС). Фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 устойчивы к СО2 в воздухе в диапазоне 850-1000 ºС. Для того чтобы материал использовался в условиях его термодинамической стабильности, требуется температура устойчивости ниже рабочей температуры (400-700 ºС). Таким образом, фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 термодинамически неустойчивы к СО2 при 700 ºС, а фазы на основе La6WO12 устойчивы при 700 ºС. При отсутствии термодинамической устойчивости фазы в некоторых случаях может проявляться связанная с кинетическими затруднениями устойчивость данной фазы к СО2, достаточно долговременная для практического использования. Например, возможно образование сплошного блокирующего диффузию поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2 (карбонатов Ba, Ca, La) на границе зерен основной фазы. Наблюдаемое для исследованных образцов увеличение зернограничного сопротивления может быть связано с образованием поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2. Для керамических образцов La6-хWO12-1,5х ( х = 0,4; 0,6; 0,8; 1) показано, что зернограничное и электродное сопротивление после выдержки 30 суток при 200 ºС во влажном атмосферном воздухе (СО2 10-3 атм) возрастает примерно в 3 раза при 800 ºС и в 10 раз при 400 ºС.

AB - Для создания эффективного топливного элемента на базе высокотемпературного протонного проводника необходимо разработать долговечный протонный электролит. В общем случае долговременная химическая устойчивость фазы к СО2 обусловлена термодинамикой (невозможность реакции) или кинетикой взаимодействия (замедление реакции). В данной работе проведено сравнение химической устойчивости по отношению к СО2 (как термодинамической, так и связанной с кинетическими затруднениями) перспективных высокотемпературных протонных проводников на базе двойного перовскита Ba4-хCa2+хNb2O11 ( х = 0,4; 0; -0,4) и двойного флюорита La6-хWO12-1,5 ( х = 0,4; 0,6; 0,8; 1). Температура устойчивости к СО2 (выше которой фаза стабильна к СО2, ниже которой фаза взаимодействует с СО2) является важной технической характеристикой термодинамической устойчивости фазы к СО2: чем ниже температура устойчивости, тем стабильнее фаза к СО2. В работе применялись методы твердофазного синтеза, РФА, термогравиметрии с масс-спектрометрией и для измерения электропроводности - метод импеданса. Установлено, что материалы на базе La6WO12 относительно термодинамически устойчивы в обычном воздухе с СО2 (10-3 атм) в рабочем диапазоне 650-1 000 ºС (верхняя граница рабочих температур твердооксидного топливного элемента составляет 1 000 ºС). Фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 устойчивы к СО2 в воздухе в диапазоне 850-1000 ºС. Для того чтобы материал использовался в условиях его термодинамической стабильности, требуется температура устойчивости ниже рабочей температуры (400-700 ºС). Таким образом, фазы на основе Ba4Ca2Nb2O11 термодинамически неустойчивы к СО2 при 700 ºС, а фазы на основе La6WO12 устойчивы при 700 ºС. При отсутствии термодинамической устойчивости фазы в некоторых случаях может проявляться связанная с кинетическими затруднениями устойчивость данной фазы к СО2, достаточно долговременная для практического использования. Например, возможно образование сплошного блокирующего диффузию поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2 (карбонатов Ba, Ca, La) на границе зерен основной фазы. Наблюдаемое для исследованных образцов увеличение зернограничного сопротивления может быть связано с образованием поверхностного слоя продуктов взаимодействия с СО2. Для керамических образцов La6-хWO12-1,5х ( х = 0,4; 0,6; 0,8; 1) показано, что зернограничное и электродное сопротивление после выдержки 30 суток при 200 ºС во влажном атмосферном воздухе (СО2 10-3 атм) возрастает примерно в 3 раза при 800 ºС и в 10 раз при 400 ºС.

UR - https://elibrary.ru/item.asp?id=35203413

U2 - 10.15518/isjaee.2018.10-12.043-059

DO - 10.15518/isjaee.2018.10-12.043-059

M3 - Статья

SP - 43

EP - 59

JO - Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"

JF - Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология"

SN - 1608-8298

IS - 10-12 (258-260)

ER -