Физико-химические закономерности электрофоретического осаждения тонкопленочного твердого электролита на основе ZrO2

• Автор: Калинина, Елена Григорьевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 152 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация

Список обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. Метод электрофоретического осаждения в технологии электрохимических устройств. Аналитический обзор литературы
1.1 Твердооксидные топливные элементы устройство, принципы работы и механизм электрохимических процессов

1.2 Формирование тонких пленок электролита ТОТЭ методом электрофореза

1.2.1. Основные закономерности электрофореза.

1.2.2. Применение ЭФО для формирования пленочного электролита ТОТЭ.

1.3 Постановка задачи работы.

ГЛАВА 2. Получение, методы аттестации и исследования материалов, используемых в процессе электрофоретического осаждения
2.1 Объекты исследования.
2.1.1. Получение и аттестация нанопорошков.
2.1.1.1 Стабилизированный диоксид циркония.
2.1.1.2. Оксид алюминия.. .
2.1.2. Катодные материалы, использованные для ЭФО
2.1.3. Дисперсии наиочастиц в жидкостях
2.1.3.1. Жидкие среды
2.1.3.2. Модификаторы суспензий
2.1.3.3. Стабил изаторы
2.1.3.4. Методика приготовления суспензий
2.1.4. Тонкослойные пленки электролита.
2.2 Экспериментальные методики.
2.2.1. Электрофоретическое осаждение.
2.2.2. Определение газопроницаемости подложек и покрытий.
2.2.3. Электроакустический метод измерения потенциала
2.2.4. Метод динамического рассеяния света
фотоннокорреляционной спектроскопия.
2.2.5. Метод изотермической калориметрии.
2.2.6. Метод определения удельной поверхности
2.2.7. Комплексный термический анализ
2.2.8. Электронная микроскопия.
2.2.9. Атомносиловая микроскопия7.
2.2 Оптическая микроскопия.
2.2 Рентгенофазовый анализ
2.2 Дилатометрия
2.2 Хроматомассспектрометрия.
2.2 Электрохимические измерения.
ГЛАВА 3. Закономерности получения и стабилизации суспензий нанопорошков для использования в методе электрофоретического осаждения.
3.1. Сольватируюшая способность среды и дисперсность суспензий нанопорошков
3.2. Элсктрокинетическис свойства суспензий.
3.3. Механизм возникновения заряда наночастиц в суспензии.
3.4.Влияние полимерных модификаторов на дисперсность и электрокинетические
свойства суспензий
ГЛАВА 4. Механизм электрофоретического осаждения тонких пленок нанопорошков У 7.
4.1. Влияние параметров проведения электрофореза на процесс нанесения покрытия УБ2 на непористуто поверхность в нсводной среде
4.2. Особенности ЭФО на пористую поверхность.
4.3. Особенности совместного ЭФО оксидов АОз и .
ГЛАВА 5. Термическая обработка и закономерности формирования плотной пленки твердооксидного кислородпроводящего электролита
5.1. Закономерности формирования неспеченных покрытий
5.2. Электрофоретические покрытия из нанопорошка , содержащие полимерное связующее
5.3. Спекание покрытий из наночастиц .
5.4. Электрохимические свойства модельного элемента
ВЫВОДЫ.
Список использованных источников


Установлено, что в отсутствие связующего предельная толщина ЭФО покрытия из наночастиц , при которой не наступает растрескивание, составляет около 5 мкм. Показано, что использование связующего позволяет получать покрытия толщиной более 5 мкм. Установлено, что отжиг связующего акрилатной природы происходит в узком температурном диапазоне 00С, до спекания не препятствуя дальнейшему спеканию слоя. В рамках диссертационной работы была разработана и изготовлена специализированная компьютеризированная установка для электрофоретического нанесения покрытий, а также специализированная установка, с компьютерной обработкой результатов измерения для изучения коэффициента газопроницаемости пористых Ь8М катодов, а также других пористых материалов. Проведение комплексного анализа пористой структуры и газопроницаемости катодных материалов, применяемых для ТОТЭ, позволило установить ее количественные параметры, связывающие с возможностью использования метода ЭФО для нанесения тонкого слоя электролита. Показано, что основным источником повышения генерируемой удельной мощности ТОТЭ, изготавливаемых методом ЭФО, является оптимизация пористой структуры катода. В результате выполнения работы создан модельный полуэлсмент, который обеспечил ЭДС 1. В и удельную мощность 0, Втсм2 при температуре 0С. Результаты отработанных методик ЭФО нашли отражение в патенте РФ Высокотемпературный электрохимический элемент с элсктрофорети чески осажденным тврдым электролитом и способ его изготовления. Устойчивые суспензии ианопорошков стабилизированного 9,8 мольн. У3 и А для использования в методе электрофоретического осаждения следует готовить в полярных сольватирующих дисперсионных средах, в которых энтальпия смачивания нанопорошка отрицательна и принимает значения больше 0. Джм2 на единицу удельной поверхности по абсолютной величине. Самостабилизация водных и неводных суспензий нанопорошков и АЬОз, происходит по механизму, включающему специфическую адсорбцию ионов диспергируемого металла на поверхности частиц, что приводит к положительным значениям потенциала и слабокислой среде суспензии. Незаряженные молекулы полимерного модификатора БМК5, сорбируясь на поверхности наночастиц, не разрушают ДЭС и слабо влияют на потенциал. Полимерное связующее не препятствует спеканию в плотную структуру. Электрофоретическое осаждение на поверхности электрода происходит по коагуляционному механизму, состоящему в образовании агрегатов наночастиц средним размером 0 нм вблизи электрода и их осаждении в виде гелеобразного слоя. Для успешного проведения ЭФО наночастиц средним размером нм размер пор катода не должен превышать 1 мкм. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI, XVIII, XIX, XX Российских молодежных научных конференциях Проблемы теоретической и экспериментальной химии. Екатеринбург, , , , гг конференции Физические проблемы водородной энергетики. СПетербург, г. Екатеринбург, г III всероссийской конференции по наноматериалам Нано, Екатеринбург, г. II международном Конкурсе Научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, Москва, Диплом Вместо Международном научнотехническом семинаре Водородная энергетика, как альтернативный источник энергии, СанктПетербург, X Всероссийской молодежной школысеминара по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, X Уральской школесеминаре металловедовмолодых ученых, декабрь , г. Екатеринбург IX Всероссийской конференции с международным участием Химия поверхности и нанотехнология. Псковская область, Хилово, г. Всероссийской конференции Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе, Черноголовка, г. Материалы диссертационной работы представлены в публикации, в том числе в 3 статьях, в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 1 Патенте РФ и статьях и тезисах докладов всероссийских конференций. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Материал изложен на 2 страницах, работа содержит таблиц, рисунка, список литературы 1 наименование.