Вибори директора
  1. Головна
  2. Структура
  3. Фізичне матеріалознавство та фізика міцності
  4. 22. Відділ фізики міцності і пластичності матеріалів
  5. Котко А.В.
  6. Публікація

Діоксид цирконію, стабілізований оксидами ітрію та церію (8Ce2YSZ), для анодів керамічних паливних комірок та електролізерів

І.О.Полішко 1*,
 
Є.М.Бродніковський 1,
 
Д.М.Бродніковський 1,
 
Н.О.Лисуненко 1,
 
Р.В.Горда 2,
 
О.В.Дуднік 1,
 
М.Ю.Смирнова-Замкова 1,
 
І.О.Марек 1,
 
О.М.Мисливченко 1,
 
А.В.Котко 1,
 
Л.Л.Коваленко 3,
 
А. Г.Білоус 3,
 
Л.Ю.Хоменкова 4,
 
Н.О.Корсунська 4,
 
О.Д.Васильєв 1
 

1 Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України , Київ
2 Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка Національної академії наук України, Київ
3 Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України , Київ
4 Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ
polishko.ihor@gmail.com

Usp. materialozn. 2022, 4/5:111-126
https://doi.org/10.15407//materials2022.04-05.111

Анотація

Проведено порівняльне дослідження керамічних матеріалів на основі ZrO2, спільно стабілізованого СеО2 та Y2O3, і стабілізованого Y2O3. Керамічні зразки 8Сe2YSZ, виготовлені методом гідротермального синтезу (за двома різними режимами відпалу осадів) мають тетрагональну фазу та майже однаковий рівень залишкової пористості — 6—8%. Зразки 8Се2YSZ показали міцність в умовах двовісного згину 542 та 486 МПа відповідно. Зразки 8YSZ та 3YSZ мають кубічну фазу з міцністю 181 МПа та тетрагональну фазу з міцністю 577 МПа відпо­відно при 1% пористості. Питома електропровідність 8Ce2YSZ та 8YSZ стано­вить  1,1·10-3 та  4·10-3 См/см,  1,2·10-2    та  5,2·10-3 См/см,  2,7·10-2  та 9,3·10-2 См/см за температур 600, 700 і 800  °C  відповідно.


Завантажити повний текст

АНОД, ДІОКСИД ЦИРКОНІЮ, ЕЛЕКТРОЛІТ, ІОННА ПРОВІДНІСТЬ, КЕРАМІЧНА ПАЛИВНА КОМІРКА, МІЦНІСТЬ

Посилання

1. Singhal, S.C.& Kendall, K. (2003). High-Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications. Elsevier, Oxford, U. K. 406 p. doi: https://doi.org/10.1016/B978-1-85617-387-2.X5016-8

2. Shaikh, S., Muchtar, A. &Somalu, M. (2015). A review on selection of anode materials for solid oxide fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 51, pp. 1—8. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.069

3. Tietz, F., Buchkremer, H.-P.& Stover, D. (2002). Components manufacturing for solid oxide fuel cells. Solid State Ionics, Vol. 152—153, pp. 373—381. doi: https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00344-2

4. Frandsen, H., Ramos, T., Faes, A. &Pihlatie, M. (2012). Optimization of the strength of SOFC anode supports. J. Europ. Ceram. Soc., Vol. 32, No. 5,pp. 1041—1052. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.11.015

5. Gorte, R.J.&Vohs, J.M. (2003). Novel SOFC anodes for the direct electrochemical oxidation of hydrocarbons. J. Catalysis., Vol. 216, No. 1—2, pp. 477—486. doi: https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00121-5

6. Kawada, T., & Mizusaki, J. (2003). Current electrolytes and catalysts.Handbook of fuel cells-fundamentals, technology and application, Eds.: W. Vielstich et al. Fuel Cell Technology and Applications, Wiley and Sons, Chichester, England., Vol. 4. pp. 987. doi: https://doi.org/10.1002/9780470974001.f307080

7. Kilner, J.A.&Brook, R.J. (1982). A study of oxygen ion conductivity in doped nonstoichiometric oxides. Solid State Ionics., Vol. 6, pp. 237—252. doi: https://doi.org/10.1016/0167-2738(82)90045-5

8. Leea, D., Leea, I. &Jeona, T. (2005). Characterization of scandia stabilized zirconia prepared by glycine nitrate process and its performance as the electrolyte for IT-SOFC. Solid State Ionics, Vol. 176, No. 11—12, pp. 1021—1025. doi: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2005.01.004

9. Molenda, J., Swierczek, K. &Zajac, W. (2007). Functional materials for the IT-SOFC.J. Power Sources, Vol. 173, pp. 657—670. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.05.085

10. Lee, C.H.& Choi, G.M. (2000). Electrical conductivity of CeO-doped YSZ. Solid State Ionics, Vol. 135, No. 1—4, pp. 653—661. doi: https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00427-6

11. Hannink, R., Kelly, P.M.& Muddle, B.C. (2005). Transformation toughening in zirconia–containing ceramics. J. Amer. Ceram. Soc., Vol. 83, No. 3, pp. 461—487. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

12. Vasilev, A.D., Firstov, S.A.&Shinkaruk, A.V. (1996). On the brittle-to-ductile transition of Y-PSZ single crystals. J. Europ.Ceram.Soc,Vol.16, pp. 953—959. doi: https://doi.org/10.1016/0955-2219(96)00013-1

13. Shevchenko, A. V., Ruban, A. K.& Dudnik, E. V. (2000). High-technology ceramics based on zirconium dioxide. Ogneup. Tekh. Keram. Vol. 9, pp. 2—8 [ib Russian].

14. Dudnik, E.V., Shevchenko, A.V., Ruban, A.K., Red`ko,V.P.& Lopato, L.M. (2011). Microstructural design of ZrO2—Y2O3—CeO2—Al2O3 materials. Powder Metallurgy and Metal Ceramics,Vol. 49, No. 9, pp. 528—536. doi: https://doi.org/10.1007/s11106-011-9267-3

15. Dudnik, O. V., Marek, I. O., Ruban, O. K., Redko, V.P., Danilenko, M.I., Korniy, S.A.& Melakh, L.M. (2020). Theory, manufacturing technology, and properties of powders and fibers effect of heat treatment on the structure and phase composition of the nanosized powder based on a ZrO2 solid solution. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 59, No. 1—2, pp. 1—8. doi: https://doi.org/10.1007/s11106-020-00132-x

16. Naito, H., Sakai, N.&Otake, T. (2000). Oxygen transport properties in ZrO2—CeO2—Y2O3 by SIMS analysis. Solid State Ionics,Vol. 135, pp. 669—673. doi: https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00378-7

17. Yang, B.C., Go, D.& Oh, S. (2019). Atomic-layer-deposited ZrO2-doped CeO2 thin film for facilitating oxygen reduction reaction in solid oxide fuel cell. Appl. Surface Sci., Vol. 473, pp. 102—106. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.12.142

18. Somacescu, S., Cioatera, N.&Osiceanu, P. (2019). Bimodal mesoporous NiO/CeO2—YSZ with enhanced carbon tolerance in catalytic partial oxidation of methane — potential IT-SOFCs anode. Appl. Catalysis B: Environmental., Vol. 241, pp. 393—406. doi: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.09.065

19. Method for determining apparent density, open and total porosity, water absorption. (2014). Moscow. Standartinform [in Russian].

20. Borger, A., Supancic, P.& Danzer, R. (2002). The ball on three balls test for strength testing of Brittle discs — Stress Distribution in the Disc. J. European Ceramic Soc, Vol. 22, pp. 1425—1436. doi: https://doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00458-7

21. Nohut, S.A. (2012). General formulation for strength prediction of advanced ceramics by ball-on-three-balls (B3B)-test with different multiaxial failure criteria. Ceramics Intern., Vol. 38, pp. 2411—2420. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.11.007

22. Brodnikovskyi, Y., McDonald, N., Polishko, I., Brodnikovskyi, D., Brodnikovska, I., Brychevskyi, M., Kovalenko, L., Vasylyev, O., Belous, A. & Steinberger-Wilckens, R. (2019). Properties of 10Sc1CeSZ—3,5YSZ (33, 40, 50% (wt.)) composite ceramics for SOFC application. Materials Today: Proceedings, Vol. 6, No. 2, pp. 26—35. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.10.071

23. Skoroshod, V.V. (1959). On the electrical conductivity of dispersed mixtures of non-conductors with conductors. Engineering Phys. J., Vol. 2, No. 8, pp. 51—58 [in Russian].

24. Belous, A.G., Kravchyk, K.V., Pashkova, E.V.&Bohnke, O. (2007). Influence of the chemical composition on structural properties and electrical conductivity of Y—Ce—ZrO. Chem. Mater., Vol. 19, No. 21, pp. 5179—5184. doi: https://doi.org/10.1021/cm070319j

25. Ghatee, M., Shariat, M.H. &Irvine, J.T.S. (2009). Investigation of electrical and mechanical properties of 3YSZ/8YSZ composite electrolytes. Solid State Ionics.,Vol. 180, pp. 57—62. doi: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.10.006

26. Fabris, S., Paxton, A.T. & Finnis, M.W.(2002). A stabilization mechanism of zirconia based on oxygen vacancies only. Acta Mater., Vol. 50, pp. 5171—5178. doi: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(02)00385-3

Публікації