[1]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.
[2]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.
[3]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 350°C составляют 9.5⋅10-8 Ом-1⋅см-1.
[4]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.
[5]Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью, представляющий собой индат бария-лантана, допированный кальцием в подрешетке бария, имеющий состав: Ba0.95Ca0.05LaInO4.
[6]При введении катионов кальция в подрешетку бария происходит расширение кристаллической решетки индата бария-лантана, что подтверждается увеличением параметров и объема кристаллической решетки, представленных в таблице 1, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости индата бария-лантана, допированного кальцием в подрешетке бария.
[7]Таблица 1. Параметры и объем ячейки сложных оксидов BaLaInO4, Ba0.95Ca0.05LaInO4
[8]| Образец | a, Å | b, Å | c, Å | Объем ячейки, (Å3) |
| BaLaInO4 | 12.932(3) | 5.906(0) | 5.894(2) | 450.19(5) |
| Ba0.95Ca0.05LaInO4 | 12.932(5) | 5.911(8) | 5.906(5) | 451.5841 |
[9]Полученный индат бария-лантана, допированный кальцием, характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T<350°C и pH2O = 2⋅10-2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.
[10]Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T<350°C и pH2O = 2⋅10-2 атм.
[11]Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг.1 показана дифрактограмма образца материала Ba0.95Ca0.05LaInO4. На фиг.2 и 3 представлены температурные зависимости электропроводности образца материала Ba0.95Ca0.05LaInO4 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 представлены температурные зависимости протонной проводимости образца материала Ba0.95Ca0.05LaInO4в сравнении с материалом BaLaInO4.
[12]Материал Ba0.95Ca0.05LaInO4получен 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) [2]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала Ba0.95Ca0.05LaInO4 (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 0.05θ и экспозицией 1 секунда на точку. Анализ показал, что материал Ba0.95Ca0.05LaInO4 является однофазным и характеризуется ромбической симметрией.
[13]Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала Ba0.95Ca0.05LaInO4, в температурном диапазоне от 250°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 Ba0.95Ca0.05LaInO4выше, чем для материала BaLaInO4.
[14]Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Температурные зависимости протонной проводимости материалов Ba0.95Ca0.05LaInO4 и BaLaInO4 представлены на фиг.4, из которой видно, что при 350°C величина протонной проводимости материала Ba0.95Ca0.05LaInO4 составляет 1.0⋅10-6 Ом-1⋅см-1, а материала BaLaInO4 - 9.5⋅10-8 Ом-1⋅см-1.
[15]Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-лантана и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.
