Долговременная стабильность проводимости монокристаллов твёрдых растворов (ZrO_2)_0,90(Sc_2O_3)_(0,1−x)(Yb_2O_3)_x Текст научной статьи по специальности «Физика»

Я A SiiEsEiiE* НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

Долговременная стабильность проводимости монокристаллов твёрдых растворов (ZrO2)o,9o(Sc2O3)(o,i-x)(Yb2O3)x

Комаров Б.Е.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Е-mail: boris. komarov. 1998.2017@mail.ru

DOI: 10.24412M-35673-2024-1-114-116

Материалы для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) испытывают деградацию фазовых, структурных и транспортных характеристик в процессе эксплуатации при высоких рабочих температурах. Поэтому, одной из важнейших задач, способствующих решению проблемы повышения ресурса работы ТОТЭ, является создание материалов для электролитических мембран устойчивых к деградации при высоких температурах в течение длительного времени.

Процессы старения твёрдых электролитов, проявляющиеся в изменении их электропроводности при изотермическом отжиге, изучались на твёрдых растворах на основе диоксида циркония, стабилизированных оксидами различных редкоземельных элементов [1, 2]. Показано, что в общем случае существуют три независимые причины старения твёрдых электролитов на основе ZrO2: распад твердого раствора с образованием новых фаз, упорядочение катионов и кислорода в кристаллической решетке твердого раствора и изменение электропроводности границ зерен. Целью данной работы являлось исследование долговременной стабильности проводимости монокристаллических электролитических мембран

(ZrO2)0,90(Sc2O3)0,09(Yb2O3)0,01 (далее 9Sc1YbSZ) и

(ZrO2)0,90(Sc2O3)0,08(Yb2O3)0,02 (далее 8Sc2YbSZ). Исследования проводились в течение 4800 ч при температуре 1123 К.

Кристаллы были получены методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере. Фазовый состав и структуру кристаллов до и после старения изучали методами рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Проводимость образцов измеряли методом импедансной спектроскопии.

Сопоставление данных о фазовом составе и проводимости полученных кристаллов с кристаллами (ZrO2)0,90(Sc2O3)0,10 (далее

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

, «ПРОХОРОВСКИЕНЕДЕЛИ-

22-24 октября 2024 г.

108о82), выращенными тем же методом и состоящими из смеси псевдокубической и ромбоэдрической фаз, показало, что замещение даже 1 мол.% 8с20з на УЬ20э приводит к образованию однофазных кристаллов со структурой псевдокубической ¿"-фазы без снижения высокотемпературной проводимости материала. При дальнейшем замещении 8с20з на УЬ20э данная структура сохранялась, а в высокотемпературной области наблюдалось снижение проводимости (рис. 1а).

Отжиг образцов 98с1УЬ82 в течение 4800 ч при температуре 1123 К приводил к незначительному изменению высокотемпературной проводимости (степень деградации не превышала 4 %). Изменений в структуре этих образцов после отжига обнаружено не было. Характер изменения проводимости образца 88с2УЬ82 заметно отличался от изменений проводимости 98с1УЬ82 (рис. 1б). Резкое снижение ионной проводимости (на ~55 % от исходного значения) наблюдалось в течение первых 500 ч отжига. В дальнейшем наблюдалось постепенное снижение проводимости. Отжиг состава 88с2УЬ82 привел к превращению исходной псевдокубической ¿"-фазы в тетрагональную ¿'-фазу.

Рис. 1. Графики Аррениуса для проводимости кристаллов 98с1УЬ8г, 88с2УЬ8г и 108с8г (а) и деградация проводимости твёрдых электролитов 98е1УЬ8г и 88е2УЬ8г при 1123 К (б)

Замена УЬ20з на 8С2О3 в композициях, содержащих суммарную концентрацию стабилизирующих оксидов (8с20з+УЬ20з) равную 10 мол.%, эффективно подавляет образование ромбоэдрической фазы и приводит к стабилизации псевдокубической структуры. Однако, полученные данные показали, что увеличение содержания УЬ203 до 2 мол.% приводит к снижению стабильности высокосимметричной

SS3S НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

А "ПРОХОРОвОСМЕ НЕДЕЛИ-

фазы. Состав (ZrO2)o,9o(Sc2O3)o,o9(Yb2O3)o,o1 можно рассматривать как перспективный материал для практического использования в качестве твёрдого электролита в ТОТЭ.

Автор выражает благодарность научному коллективу лаборатории «Фианит» за постановку научной задачи, помощь в проведении измерений и обсуждении результатов.

1. Ciacchi F., Badwal S., J. Eur. Ceram. Soc. 1991, 7, 197-206.

2. Lee D.-S., Kim W., Choi S., et al., Solid State Ionics. 2005, 176, 33-39.