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

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa₂In₂O₇), 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)00196-4) [1]. 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 400 °C и влажности атмосферы pH₂O = 2⋅10⁻² атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 400 °C составляют 0.9⋅10⁻⁶ Ом⁻¹⋅см⁻¹.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке твердооксидного электролитного материала на основе индата бария-лантана, с повышенной протонной проводимостью, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.

Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой индат бария-лантана, допированный иттрием имеющий состав: BaLa₂InYO₇.

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

Полученный индат бария-лантана, допированный иттрием BaLa₂InYO₇ характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 400 °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 материалов на основе индата бария-лантана, характеризующихся высокими значениями протонной проводимости при T < 400 °C и pH₂O = 2⋅10⁻² атм.

Изобретение иллюстрируется таблицей и рисунками. В таблице приведены параметры и объем ячейки сложных оксидов BaLa₂In₂O₇ и BaLa₂InYO₇. На фиг. 1 показана дифрактограмма образца полученного материала состава BaLa₂InYO₇. На фиг. 2 и 3 представлены температурные зависимости электропроводности образцов полученного материала в сравнении с материалом BaLa₂In₂O₇ в сухой (pH₂O = 3.5⋅10⁻⁵ атм) и влажной (pH₂O = 2⋅10⁻² атм) атмосферах соответственно. На фиг. 4 представлены температурные зависимости протонной проводимости образца материала BaLa₂InYO₇ в сравнении с материалом BaLa₂In₂O₇.

Материал BaLa₂InYO₇ получен методом твердофазного синтеза, известным из (Caldes M., Michel C., Rouillon T., Hervieu M., Raveau B. Novel indates Ln₂BaIn₂O₇, n = 2 members of the Ruddlesden- Popper family (Ln = La, Nd) // Journal of Materials Chemistry. - V. 12. - P. 473-476. https://doi.org/10.1039/B108987K) [2]. Проведен рентгенофазовый анализ образцов полученного материала состава BaLa₂InYO₇ (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 BaLa₂InYO₇ является однофазным и характеризуется тетрагональной симметрией.

Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала 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 показаны на фиг. 2 и 3 в сухой (pH₂O = 3.5⋅10⁻⁵ атм) и влажной (pH₂O = 2⋅10⁻² атм) атмосферах соответственно. Данные демонстрируют высокие значения электропроводности в исследуемом температурном интервале, которые для материала BaLa₂InYO₇ выше, чем для материала BaLa₂In₂O₇.

Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости материалов BaLa₂InYO₇ и BaLa₂In₂O₇ представлены на фиг. 4, из которой видно, что при 400 °C величина протонной проводимости материала BaLa₂InYO₇ составляет 2.5∙10⁻⁶ Ом⁻¹⋅см⁻¹, а материала BaLa₂In₂O₇ - 1.7⋅10⁻⁶ Ом⁻¹⋅см⁻¹.

Таким образом, получен новый твердооксидный электролитный материал на основе индата бария-лантана с повышенной протонной проводимостью, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa₂In₂O₇), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии. Материал представляет собой индат бария-лантана, допированный иттрием, имеет состав: BaLa₂InYO₇. Техническим результатом является повышенная протонная проводимость. 4 ил., 1 табл.

Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой индат бария-лантана, допированный иттрием, имеющий состав: BaLa₂InYO₇.