Синтез и исследование транспортных и электрокаталитических свойств нанокомпозитных катодных материалов для твердооксидных топливных элементов

• Автор: Еремеев, Никита Федорович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 110 с. : 47 ил.

Содержание
Содержание
Содержание

Список условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Среднетемпературные твёрдооксидные топливные элементы

1.1.1. Понятие, типы и принципы работы твёрдооксидных топливных элементов

1.1.2. Подходы к дизайну ТОТЭ

1.2. Материалы катодов среднетемпературных твердооксидных топливных элементов

1.2.1. Ранние разработки материалов для катода ТОТЭ

1.2.2. Увеличение проводимости катодных материалов
1.2.3. Увеличение подвижности кислорода катодных материалов
1.2.4. Оптимизация коэффициента теплового расширения катодных материалов
1.2.5. Улучшение химической стабильности катодных материалов
1.2.6. Современные материалы катодов твёрдооксидных топливных элементов
1.3. Процессы переноса в системе твёрдый оксид
1.3.1. Общие сведения
1.3.2. Проводимость твёрдых оксидов
1.3.3. Диффузия в твёрдых оксидах
1.3.4. Обмен кислорода на твёрдых оксидах
1.4. Методы исследования катодных материалов
1.4.1. Методы исследования проводимости
1.4.2. Методы изотопного обмена
1.4.3. Релаксационные методы
1.5. Заключение

Содержание
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1. Приготовление сложных оксидов и их нанокомпозитов
2.1.1. Синтез сложных оксидов методом Пекини
2.1.2. Синтез композитных материалов методом ультразвукового диспергирования
2.1.3. Термическая обработка и спекание образцов
2.2. Методы характеризации образцов
2.2.1. Рентгенофазовый анализ
2.2.2. Просвечивающая электронная микроскопия
2.2.3. Растровая электронная микроскопия
2.3. Методы исследования механических свойств образцов
2.3.1. Удельная поверхность (БЭТ)
2.3.2. Истинная плотность и пористость
2.4. Методы исследования транспортных свойств образцов
2.4.1. Измерение удельной электропроводности четырёхэлектродным методом
2.4.2. Метод релаксации массы
2.4.3. Метод релаксации электропроводности
2.4.4. Термопрограммированная десорбция кислорода
2.4.5. Изотопный обмен в статических условиях
2.4.6. Изотопный кинетический анализ в проточном реакторе в стационарном
состоянии (SSITKA)
2.4.7. Метод вторичной ионной масс-спектрометрии
2.5. Измерение функциональных характеристик катодов
2.5.1. Приготовление катодной пасты
2.5.2. Нанесение катода методом окрашивания
2.5.3. Нанесение катода методом трафаретной печати
2.5.4. Измерение вольтамперных характеристик отдельных ячеек

Содержание
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Исследование структурных особенностей катодных материалов
3.1.1. Фазовый состав и микроструктура LaFe1.xMx03.s и композитов LaFei_xMx03.g -Ce0,9Yo,i02-s (М = Ni, Со)
3.1.2. Фазовый состав и микроструктура Pr2.xNi04+5 и композитов Pr2_xNi04+5
Ceo,9Gdo,i02
3.1.3. Фазовый состав и микроструктура PrNii.xCox03_s и композитов PrNi]_xCox03_8 -СеодУодОг-з
3.2. Влияние состава катодных материалов на электрохимические свойства
3.2.1. Удельная электропроводность и кажущаяся энергия активации проводимости композитов LaFei.xMx03.s - Ce0i9Yo,i02.s (М = Ni, Со)
3.2.2. Удельная электропроводность и кажущаяся энергия активации проводимости Pr2.xNi04
3.2.3. Удельная электропроводность и кажущаяся энергия активации PrNii.xCox03_8 и композитов Рг№].хСохОз.д - СеодУодОг-з
3.3. Исследование транспортных и обменных характеристик катодных материалов
3.3.1. Диффузия, обмен и динамика удаления кислорода для LaFei.xMx03 и композитов LaFei.xMxC>3.5 - Се0>9Уо,і02.5 (М = Ni, Со)
3.3.2. Диффузия, обмен и динамика удаления кислорода для Pr2.xNi04+8 и композитов Pr2.xNi04+5 - Ceo,9Gdo,i02_s
3.3.3. Диффузия, обмен и динамика удаления кислорода для Рг№].хСох03.8 и композитов PrNii.xCox03_5 - Се0,9Уо,і02
3.4. Исследование функциональных характеристик катодов на основе полученных материалов
3.4.1. Вольт-амперные характеристики ТОТЭ с катодами на основе Pr2.xNi04+5 -Ce0,9Gdo,i02.s
3.4.2. Вольт-амперные характеристики ТОТЭ с катодами на основе PrNii.xCox04+5 -Се0,9У0,,О2

Глава 1. Литературный обзор
1.3. Процессы переноса в системе твёрдый оксид
СОПВІ I Е.

(-£г> (1-7)
где К - универсальная газовая постоянная. ЕлаТ - кажущуюся энергию активации электропроводности можно найти как
дпаТ
Еа,аТ = НТ2-г. (1-8)
В случае переноса нескольких типов частиц общая проводимость складывается из парциальных величин сг,
а = X СіЧіЩ = 2 °1’
(1.9)
где а,-- подвижность г-го сорта заряженных частиц. Относительную величину:
СТі Оі
к = — = — (1.10)
называют числом переноса. Оно показывают долю электрического тока, переносимого данным типом частиц. Очевидно, что в случае нескольких переносчиков заряда в уравнении (1.7) будет стоять сумма экспонент, поэтому при весомом вкладе каждого из них в общую проводимость (1.9) зависимость её от температуры может плохо линеаризоваться в координатах Аррениуса. Выделить вклад каждого типа проводимости тогда без проведения дополнительных экспериментов невозможно. Для большинства катодных материалов на основе сложных оксидов для простейшего описания их проводимости достаточно общего выражения её температурной зависимости (1.7) и формулы для нахождения кажущейся энергии активации (1.8)
1.3.3. Диффузия в твёрдых оксидах
В кристаллической решётке оксидов при наложении градиента концентрации и электрического поля наблюдается перенос анионов кислорода (кислородных вакансий) и электронов (дырок). При перемещении ионов в кристалле локальная элекгронейтраль-ность сохраняется за счёт потока электронов. Процесс переноса каждого типа частиц можно описать коэффициентом самодиффузии, или коэффициентом хаотической диффузии а весь процесс согласованного переноса частиц - коэффициентом (сопряжённой) химической диффузии Ос/1ет [94]. Для этого коэффициента химической