Материал для кислородного электрода электрохимических устройств

Материал для кислородного электрода электрохимических устройств

Реферат

Изобретение относится к электрохимическим устройствам с твердым оксидным электролитом и может быть использовано в качестве кислородного электрода в электрохимических датчиках кислорода, кислородных насосах, электролизерах и топливных элементах в широком температурном интервале 400-900°C.

Известно использование в качестве электродного материала электрохимических устройств оксидов со структурой перовскита A_1-xB_1-yM_x+yO_3+δ (где A - РЗЭ, B - Mn, Co, Cr; M - Mg, Ba, Sr, Ca), обладающих хорошей электронной проводимостью из-за большой концентрации электронных дефектов и незначительной проводимостью по ионам кислорода, поскольку концентрация ионных дефектов в них мала. (Высокотемпературные оксидные электронные проводники для электрохимических устройств // С.Ф.Пальгуев, В.К.Гильдерман, В.И.Земцов. - М.: Наука, 1990. - 197 с.), (авт.св. 1233028, опубл. 23.05.1986 г., бюл. № 19) [1, 2].

Применение слоистого перовскита в качестве кислородного электрода приводит к снижению температуры, при которой устанавливаются термодинамические значения ЭДС на ячейке с твердым электролитом на основе ZrO₂ (V.K.Gilderman, M.A.Andreeva and S.F.Palguev. La_1,825Sr_0,175Cu_1-XFe_XO_Y and YBa₂(Cu_1-XFe_X)₃O_Y for electrodes of electrochemical oxygen sensors // Sensors and Actuators B. 7. (1992) P.738-741), (патент РФ 2146360, опубл. 10.03.2000 г., бюл. №7) [3, 4].

Известно применение в качестве кислородного электрода слоистого перовскита Pr₂NiO₄ (S.Nishimoto, S.Takahashi, Y.Kameshima, M.Matsuda and M.Miyake. Properties of La_2-XPr_XNiO₄ cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. // Journal of the Ceramic Society of Japan 119[3] 246-250.2011) [5]. Недостатком известного электродного материала является малая электропроводность Pr₂NiO₄ σ_max. При температуре 510°C она составляет 127 Ом^-1см^-1, а при температурах 227°C и 909°C - 101 Ом^-1см^-1 и 88 Ом^-1см^-1 соответственно.

Задача настоящего изобретения заключается в получении электродного материала со слоистой структурой перовскита с хорошей проводимостью в широком температурном интервале.

Поставленная задача решается тем, что материал для кислородного электрода электрохимических устройств содержит оксиды редкоземельного элемента, щелочноземельного элемента и никель, при этом дополнительно содержит оксид меди, в качестве оксида редкоземельного элемента выбран оксид празеодим, а в качестве щелочноземельного элемента - оксид стронция в следующих соотношениях по формуле:

Pr_2-XSr_XCu_1-YNi_YO₄,

где x=0,16; Y=0,9.

Для этого в подрешетку никеля слоистого перовскита дополнительно вводятся атомы меди, а в подрешетку празеодима - атомы стронция.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в получении электродного материала со слоистой структурой перовскита с хорошей проводимостью в широком температурном интервале.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В табл.1 приведены длительность и температуры обжига образцов Pr_2-XSr_XCu_YNi_1-YO₄ на воздухе. В табл.2 - результаты измерения электропроводности образцов при различных температурах и давлении P_O2=0,21 атм.

Исходные материалы:

- оксид празеодима (Pr₆O₁₁);

- оксид стронция SrO;

- оксид меди Cu₂O;

- оксид никеля NiO.

Из данных материалов по керамической технологии синтезировали составы Pr_2-XSr_XCu_YNi_1-YO₄ (x=0,16; Y=0,0; 0,1; 0,5; 0,9 и 1), представленные в табл.1.

Рентгенофазовый анализ, осуществленный после синтеза, показал, что основной фазой является слоистый перовскит. Из составов Pr_2-XSr_XCu_YNi_1-YO₄ (x=0,16; Y=0,0; 0,1; 0,5; 0,9 и 1) были приготовлены образцы размера (35×5×5) мм³ для исследования электропроводности. Измерения электропроводности осуществляли 4-зондовым методом на постоянном токе. Из табл.2 видно, что образец заявленного состава Pr_1,84Sr_0,16Ni_0,1Cu_0,9O₄ обладает наилучшей электропроводностью в широком диапазоне температур (от 200°C до 900°C) по сравнению с образцами других составов и прототипом.

Таким образом, получен материал для кислородного электрода электрохимических устройств со структурой слоистого перовскита, обладающий хорошей электропроводностью в широком температурном интервале в окислительных средах.

Таблица 1
МАТЕРИАЛ ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
№	Состав	Длительность обжига, час	Температура обжига, T°C
1	Pr1,84Sr0,16NiO4	6,75	1200
2	Pr1,84Sr0,16Cu0,1Ni0,9O4	7	1200
3	Pr1,84Sr0,16Cu0,5Ni0,5O4	1,5	1150
4	Pr1,84Sr0,16Cu0,9Ni0,1O4	9	1170
5	Pr1,84Sr0,16CuO4	1,5	1100

Таблица 2
МАТЕРИАЛ ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Пример	Состав материала	Температура	σ, Ом-1см-1
1	Pr1,84Sr0,16NiO4	228	58,7
368	σmax=63,8
913	46
2	Pr1,84Sr0,16Ni0,9Cu0,1O4	229	77
429	σmax=98,6
918	78,82
3	Pr1,84Sr0,16Ni0,5Cu0,5O4	236	61
550	σmax=93,4
919	78,64
4 - предлагаемое решение	Pr1,84Sr0,16Ni0,1Cu0,9O4	203	174,6
594	σmax=259,9
906	225,4
5	Pr1,84Sr0,16CuO4	231	29,2
880	σmax=81
934	80,8
Прототип	Pr2NiO4	227	101
510	σmax=127
909	88

Материал для кислородного электрода электрохимических устройств, содержащий оксиды редкоземельного элемента, щелочноземельного элемента и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид меди, при этом в качестве оксида редкоземельного элемента выбран оксид празеодим, а в качестве щелочноземельного элемента - оксид стронция в следующих соотношениях по формуле:Pr_2-XSr_XCu_1-YNi_YO₄,где X=0,16; Y=0,9.