Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана Российский патент 2023 года по МПК H01M8/1246 

Описание патента на изобретение RU2789752C1

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLaInO4), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.

Большинство известных материалов, характеризующихся протонной проводимостью в сочетании с низкой химической устойчивостью, обладают структурой перовскита или производной от нее. К таким материалам относится, например, материал протонпроводящего электролита на основе BaCeO3 [Ryu K.H., Haile S.M. Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO3-BaZrO3 solid solutions // Solid State Ionics. – 1999. V. 125, P. 355–367. https://doi.org/ 10.1016/S0167-2738(99)00196]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к углекислому газу, что снижает его эффективность при работе в топливных элементах.

В качестве новых перспективных протонных проводников можно рассматривать химические соединения со структурой, отличной от структуры перовскита. В качестве таковых известен индат бария-лантана, характеризующийся блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Этот материал представляет собой протонный проводник при температуре ниже 450°C и влажности атмосферы pH2O = 2⋅10−2 атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 450°C составляют 4.2⋅10−7 Ом−1⋅см−1.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении протонной проводимости материала на основе индата бария-лантана, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.

Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана, представляющий собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеющий состав: BaLa0.9Gd0.1InO4.

При введении катионов гадолиния в подрешетку лантана происходит расширение кристаллической решетки индата бария-лантана, что подтверждается увеличением параметров и объема кристаллической решетки, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости индата бария-лантана, допированного гадолинием.

Полученный индат бария-лантана, допированный гадолинием, характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при
T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм.

Изобретение иллюстрируется таблицей (см. в графической части), в которой представлены параметры и объем ячейки сложных оксидов BaLaInO4, BaLa0.9Gd0.1InO4, а также рисунками, где на фиг. 1 показана дифрактограмма образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4; на фиг. 2 и 3 – температурные зависимости электропроводности образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 в сравнении с материалом BaLaInO4 в сухой (pH2O = 3.5⋅10−5 атм) и влажной (pH2O = 2⋅10−2 атм) атмосферах соответственно; на фиг. 4 – температурные зависимости протонной проводимости образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 в сравнении с материалом BaLaInO4.

Материал BaLa0.9Gd0.1InO4 получен методом твердофазного синтеза, известным из [Sumio Kato, Masataka Ogasawara, Mikio Sugai, Shinichi Nakata Synthesis and oxide ion conductivity of new layered perovskite La1-xSr1+xInO4-d // Solid State Ionics. – V. 148. – P. 53–57. doi:10.1016/S0167-2738(02)00138-8]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 (Фиг. 1) на дифрактометре Bruker Advance D8 в СuКα-излучении при напряжении на трубке 40 кВ и токе 40 мА. Съемка производилась в интервале 2θ = 20°–80° с шагом 0.05°θ и экспозицией 1 секунда на точку. Анализ показал, что материал BaLa0.9Gd0.1InO4 является однофазными и характеризуется ромбической симметрией.

Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала BaLa0.9Gd0.1InO4, (в температурном диапазоне от 300°C до 900°С, в частотном интервале 1 Гц÷1 МГц и в атмосферах воздуха (pO2 = 0.21 атм) и аргона (pO2 = 10–5 атм). Результаты измерения, показанные на фиг. 2 и 3, демонстрируют высокие значения электропроводности в исследуемом температурном интервале, которые для материала BaLa0.9Gd0.1InO4 выше, чем для материала BaLa2In2O7.

Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Из температурной зависимости протонной проводимости материалов BaLa0.9Gd0.1InO4 и BaLaInO4, представленных на фиг. 4, видно, что при 450°C величина протонной проводимости материала BaLa0.9Gd0.1InO4 составляет 1.0⋅10−5 Ом−1⋅см−1, а материала BaLaInO4 – 4.2⋅10−7 Ом−1⋅см−1.

Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-лантана, и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.

Похожие патенты RU2789752C1

название год авторы номер документа
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана 2022
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2789751C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе празеодим-замещенного индата бария-лантана 2023
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2800229C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью 2022
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Галишева Анжелика Олеговна
  • Кремеш Хала
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2781270C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана BaLa2In2O7, допированного стронцием и магнием 2023
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Веринкина Евгения Михайловна
  • Звонарева Инна Анатольевна
RU2806785C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана BaLa2In2O7, допированного стронцием и кальцием 2023
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Веринкина Евгения Михайловна
RU2807442C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана, допированного иттрием 2023
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2800973C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана 2022
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Галишева Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Кремеш Хала
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2777335C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-неодима 2023
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2794192C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария- неодима 2022
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Бедарькова Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2791726C1
Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана 2022
  • Тарасова Наталия Александровна
  • Анимица Ирина Евгеньевна
  • Галишева Анжелика Олеговна
  • Абакумова Екатерина Викторовна
  • Кремеш Хала
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2788361C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 789 752 C1

Реферат патента 2023 года Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLaInO4), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии. Материал представляет собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеет состав: BaLa0.9Gd0.1InO4. Технический результат заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм. 4 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 789 752 C1

Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана, представляющий собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеющий состав: BaLa0.9Gd0.1InO4.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2789752C1

Sumio Kato, Masataka Ogasawara, Mikio Sugai, Shinichi Nakata
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
- V
Подъемник для выгрузки и нагрузки барж сплавными бревнами, дровами и т.п. 1919
  • Самусь А.М.
SU149A1
Веникодробильный станок 1921
  • Баженов Вл.
  • Баженов(-А К.
SU53A1
KR 100786423 B1, 17.12.2007
JPH 04118866 A, 20.04.1992
Твердооксидный протонпроводящий материал 2017
  • Лягаева Юлия Георгиевна
  • Данилов Николай Александрович
  • Касьянова Анна Владимировна
  • Вдовин Геннадий Константинович
  • Медведев Дмитрий Андреевич
RU2681947C1
ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОПОРОЙ 2014
  • Ли Роберт
  • Лэнкин Майк
  • Пирс Робин
  • Боун Адам
RU2672093C2

RU 2 789 752 C1

Авторы

Тарасова Наталия Александровна

Анимица Ирина Евгеньевна

Бедарькова Анжелика Олеговна

Абакумова Екатерина Викторовна

Медведев Дмитрий Андреевич

Даты

2023-02-07Публикация

2022-09-28Подача