Кислород-ионный и протонный транспорт в Y3+-допированном гексагональном перовските Ba7In6Al2O19

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе изучены термические и электрические свойства Y3+–допированной фазы Ba7In5.9Y0.1Al2O19, характеризующейся структурой гексагонального перовскита (a = 5.935(7) Å, с = 37.736(8) Å). Установлено, что фаза способна к инкорпорированию протонов и проявлению протонной проводимости. Введение изовалентного допанта – иттрия приводило к увеличению концентрации протонов (до предельных значений Ba7In5.9Y0.1Al2O19·0.55H2O), как результат увеличения объема элементарной ячейки и, соответственно, свободного пространства для размещения ОН– групп в кислород-дефицитном блоке, содержащем координационно-ненасыщенные полиэдры [ВаО9]. Изовалентное допирование приводило к увеличению величины кислород-ионной проводимости, что обусловлено увеличением межатомных расстояний и снижением энергии активации миграции. Во влажной атмосфере (pH2О = = 1.92·10–2 атм) фаза Ba7In5.9Y0.1Al2O19 проявляла бóльшие значения протонной проводимости по сравнению с матричным соединением Ba7In6Al2O19 и ниже 500°С характеризовалась доминирующим протонным транспортом как на воздухе, так и в широком интервале рО2 (10–18–0.21 атм).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Е. Анимица

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: Irina.аnimitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Р. Д. Андреев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: Irina.аnimitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Д. В. Корона

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: Irina.аnimitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. Р. Гилев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: Irina.аnimitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

С. С. Нохрин

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: Irina.аnimitsa@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Takahashi, T. and Iwahara, H., Solid-state ionics: Protonic conduction in perovskite-type oxide solid solution, Rev. Chem. Mineral, 1980, vol. 17, no. 4, p. 243.
  2. Iwahara, H., Esaka, T., Uchida, H., and Maeda, N., Proton conduction in sintered oxides and its application to steam electrolysis for hydrogen production, Solid State Ionics, 1981, vol. 3, no. 4, p. 359.
  3. Uchida, H., Maeda, N., and Iwahara, H., Steam concentration cell using a high temperature type proton conductive solid electrolyte, J. Appl. Chem., 1982, vol. 12, p. 645.
  4. Iwahara, H., Uchida, H., and Maeda, N., High temperature fuel and steam electrolysis cells using proton conductive solid electrolytes, J. Power Sources, 1982, vol. 7, no. 3, p. 293.
  5. Danilov, N., Lyagaeva, J., Vdovin, G., and Medvedev, D., Multifactor performance analysis of reversible solid oxide cells based on proton-conducting electrolytes, Appl. Energy, 2019, vol. 237, p. 924.
  6. Tarutin, A., Kasyanova, A., Lyagaeva, J., Vdovin, G., and Medvedev, D., Towards high-performance tubular-type protonic ceramic electrolysis cells with all-Ni-based functional electrodes, J. Energy Chem., 2020, vol. 40, p. 65.
  7. Medvedev, D.A., Current drawbacks of proton–conducting ceramic materials: How to overcome them for real electrochemical purposes, Curr. Opin. Green Sustain. Chem., 2021, vol. 32, p. 100549.
  8. Ярославцев, А. Б. Основные направления разработки и исследования твердых электролитов. Успехи химии. 2016. T. 85. № 11. С. 125. [Yaroslavtsev, A.B., Solid electrolytes: main prospects of research and development, Russ. Chem. Rev., 2016, vol. 85, no. 11, p. 1255.]
  9. Kochetova, N., Animitsa, I., Medvedev, D., Demin, A., and Tsiakaras, P., Recent activity in the development of proton-conducting oxides for high-temperature applications, RSC Adv., 2016, vol. 6, p. 73222.
  10. Hyodo, J., Tsujikawa, K., Shiga, M., Okuyama, Y., and Yamazaki, Y., Accelerated discovery of proton-conducting perovskite oxide by capturing physicochemical fundamentals of hydration, ACS Energy Lett., 2021, vol. 6, no. 8, p. 2985.
  11. Zhou, Y., Shiraiwa, M., Nagao, M., Fujii, K., Tanaka, I., Yashima, M., Baque, L., Basbus, J., Mogni, L., and Skinner, S., Protonic conduction in the BaNdInO4 structure achieved by acceptor doping, Chem. Mater., 2021, vol. 33, p. 2139.
  12. Shiraiwa, M., Kido, T., Fujii, K., and Yashima, M., High-temperature proton conductors based on the (110) layered perovskite BaNdScO4, J. Mat. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 8607.
  13. Troncoso, L., Arce, M.D., Fernandez-Diaz, M.T., Mogni, L.V., and Alonso, J.A., Water insertion and combined interstitial-vacancy oxygen conduction in the layered perovskites La1.2Sr0.8–xBaxInO4+d, New J. Chem., 2019, vol. 43, p. 6087.
  14. Tarasova, N., Animitsa, I., Galisheva, A., and Korona, D., Incorporation and conduction of protons in Ca, Sr, Ba-doped BaLaInO4 with Ruddlesden-Popper Structure, Materials, 2019, vol. 12, p. 1668.
  15. Tarasova, N., Animitsa, I., Galisheva, A., and Pryakhina, V., Protonic transport in the new phases BaLaIn0.9M0.1O4.05 (M=Ti, Zr) with Ruddlesden-Popper structure, Solid State Sci., 2020, vol. 101, p. 106121.
  16. Tarasova, N., Animitsa, I., and Galisheva, A., Electrical properties of new protonic conductors Ba1+хLa1–хInO4–0.5х with Ruddlesden-Popper structure, J. Solid State Electrochem., 2020, vol. 24, p. 1497.
  17. Tarasova, N., Galisheva, A., and Animitsa, I., Improvement of oxygen-ionic and protonic conductivity of BaLaInO4 through Ti doping, Ionics, 2020, vol. 26, p. 5075.
  18. Tarasova, N., Galisheva, A., and Animitsa, I., Ba2+/Ti4+– co-doped layered perovskite BаLaInO4: the structure and ionic (O2–, H+) conductivity, Intern. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, p. 16868.
  19. Тарасова, Н.А., Галишева, А.О., Анимица, И.Е., Корона, Д. В. Гидратация и состояние кислород-водородных групп в сложном оксиде BaLaIn0.9Nb0.1O4.1 со структурой Раддлесдена–Поппера. Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 4. C. 590. [Tarasova, N., Galisheva, A., Animitsa, I., and Korona, D., Hydration and the state of oxygen–hydrogen groups in the complex oxide BaLaIn0.9Nb0.1O4.1 with the Ruddlesden–Popper structure, Russ. J. Phys. Chem. A, 2020, vol. 94, p. 818.]
  20. Тарасова, Н.А., Галишева, А.О., Анимица, И.Е., Дмитриева, А. А. Влияние донорного допирования на ионный (O2–, H+) транспорт в новых сложных оксидах BaLaIn1–xNbxO4+x со структурой Раддлесдена–Поппера. Электрохимия. 2021. Т. 57. С. 564. [Tarasova, N., Galisheva, A., Animitsa, I., and Dmitrieva, A., The Effect of donor doping on the ionic (O2–, H+) transport in novel complex oxides BaLaIn1–xNbxO4+x with the Ruddlesden–Popper structure, Russ. J. Electrochem., 2021, vol. 57, p. 962.]
  21. Murakami, T., Hester, J., and Yashima, M., High proton conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a hexagonal perovskite-related oxide with intrinsically oxygen-deficient layers, J. Am. Chem. Soc., 2020, vol. 142, p. 11653.
  22. Shpanchenko, R.V., Abakumov, A.M., Antipov, E.V., Nistor, L., Van Tendeloo, G., and Amelinckx, S., Structural study of the new complex oxides Ba5–ySryR2–xAl2Zr1+xO13+x/2 (R = Gd-Lu, Y, Sc), J. Solid State Chem., 1995, vol. 118, p. 180.
  23. Matsuzaki, K., Saito, K., Ikeda, Y., Nambu, Y., and Yashima, M., High Proton Conduction in the Octahedral Layers of Fully Hydrated Hexagonal Perovskite-Related Oxides, J. Amer. Chem. Soc., 2024, vol. 146, p. 18544.
  24. Andreev, R., Korona, D., Anokhina, I., and Animitsa, I., Proton and oxygen-ion conductivities of hexagonal perovskite Ba5In2Al2ZrO13, Materials, 2022, vol. 15, no. 11, p. 3944.
  25. Андреев, Р.Д., Анохина, И.А., Корона, Д.В., Гилев, А.Р., Анимица, И. Е. Транспортные свойства In3+- и Y3+-допированного гексагонального перовскита Ba5In2Al2ZrO13. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 143. [Andreev, R.D., Anokhina, I.A., Korona, D.V., Gilev, A.R., and Animitsa, I.E., Transport properties of In3+- and Y3+-doped hexagonal perovskite Ba5In2Al2ZrO13, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, p. 190.]
  26. Andreev, R.D. and Animitsa, I.E., Protonic transport in the novel complex oxide Ba5Y0.5In1.5Al2ZrO13, Ionics, 2023, vol. 29, no. 11, p. 4647.
  27. Andreev, R.D., Korona, D.V., Vlasov, M.I., and Animitsa, I.E., Protonic ceramics Ba5In2–xYxAl2ZrO13 with the perovskite-related hexagonal structure for solid oxide fuel cells: synthesis, optical band gap and transport properties, Ceramics International, 2024. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.04.227
  28. Andreev, R. and Animitsa I., Transport properties of intergrowth structures Ba5In2Al2ZrO13 and Ba7In6Al2O19, Appl. Sci., 2023, vol. 13, no. 6, p. 3978.
  29. Shannon, R., Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Crystallogr. Sect. A Cryst. Phys. Diffr. Theor. Gen. Crystallogr., 1976, vol. 32, p. 751.
  30. Tarasova, N. and Animitsa, I., Materials AIILnInO4 with Ruddlesden-Popper structure for electrochemical applications: relationship between ion (oxygen-ion, proton) conductivity, water uptake, and structural changes, Materials, 2022, vol. 15, no. 1, p. 114.
  31. Чеботин, В.Н., Перфильев, М. В. Электрохимия твердых электролитов, М.: Химия, 1978. 313 с. [Chebotin, V.N. and Perfilev, M.V., Electrochemistry of solid electrolytes (in Russian), Moscow: Khimiya, 1978. 313 p.]
  32. Sammells, A.F., Kendall, K.R., Navas, C., Thomas, J.K., Loye, H.C., Amsif, M., and Hayashi, H., Structural consideration on the ionic conductivity of perovskite-type oxides, Solid State Ionics, 1999, vol. 122, p. 1.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальная, расчетная и разностная рентгенограммы, а также угловые расположения рефлексов образца Ba7In5.9Y0.1Al2O19.

Скачать (124KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-изображения поверхности скола керамического (а) и порошкового (б) образца Ba7In5.9Y0.1Al2O19.

Скачать (507KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ТГ-кривые гидратированных образцов Ba7In6Al2O19·xH2O и Ba7In5.9Y0.1Al2O19 ·xH2O.

Скачать (83KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюции годографов импеданса при варьировании температуры в сухом (а) и влажном (б) воздухе для Ba7In5.9Y0.1Al2O19.

Скачать (243KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости электропроводности от парциального давления кислорода фазы Ba7In5.9Y0.1Al2O19 в сухой (pH2О = 3.5·10–5 атм) (а) и влажной (pH2О = 1.92·10–2 атм) (б) атмосферах, а также сравнение изотерм в сухой и влажной атмосферах (в) и сравнение с недопированной фазой Ba7In6Al2O19 при 500°C (г).

Скачать (421KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурные зависимости кислород-ионной проводимости (а) и кислород-ионных чисел переноса (б) для Ba7In6Al2O19 и Ba7In5.9Y0.1Al2O19 в атмосфере сухого воздуха (pH2O = 3.5×10–5 атм).

Скачать (179KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурные зависимости протонных и кислород-ионных проводимостей Ba7In5.9Y0.1Al2O19 и Ba5In1.9Y0.1Al2ZrO13.

Скачать (101KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Температурные зависимости протонной проводимости и протонных чисел переноса для фаз Ba7In6Al2O19 и Ba7In5.9Y0.1Al2O19.

Скачать (179KB)
Метаданные

Примечание

1 По материалам доклада на 17-м Международном Совещании “Фундаментальные и прикладные проблемы ионики твердого тела”, Черноголовка, 16–23 июня 2024 г.


© Российская академия наук, 2025