CC BY
0Фазовый состав и ионная проводимость кристаллов твердых растворов
ZrO2-EU2C>3
Д.М.Захаров1,2, Е.Е.Ломонова\ Б.Е.Комаров1, А.В.Кулебякин1, А.А.Реу\ И.Е.Курицына3, Н.Ю.Табачкова1,2, М.К.Таперо1,2
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук 119991,
г. Москва, ул. Вавилова, 38.
2Национальный исследовательский технологический университет ” МИСИС“, 119049
г. Москва, Ленинский пр., 4.
3ИФТТРАН им Осипьяна, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика
Осипьяна, 2.
The phase composition and ionic conductivity of ZrO2-Eu2O3 solid solution
crystals
D.M.Zakharov1,2, E.E.Lomonova1, B.E.Komarov1, A.V.Kulebyakin1, A.A.Reu1, I.E.Kuritsyna3, N.Yu.Tabachkova1,2, M.K.Tapero1,2
1 Prokhorov General Physics Institute RAS, Moscow119991, Vavilova st. 38, Russia
2National University of Science and Technology MISIS, Moscow 119049 Leninskii pr. 4,
Russia
3Osipyan Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region,
Academician Osipyan, 2, Russia
e-mail: deniszakharovm@mail.ru DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.59
Материалы на основе циркония обладают высокой ионной проводимостью при повышенных температурах и поэтому широко используются в качестве твердых электролитов для твердооксидных топливных элементов. Ионная проводимость твердых растворов на основе диоксида циркония зависит от вида и концентрации стабилизирующего оксида и определяется различными факторами, такими как фазовый состав, фазовые превращения при нагреве от комнатной температуры до температуры работы электрохимической ячейки, а также концентрацией и подвижностью кислородных вакансий, способствующих переносу заряда.
В данной работе приведены экспериментальные данные о фазовом составе и удельной электропроводности твердых растворов ^Ю2)1-х(ЕщОз)х в широком диапазоне составов (х = 0.04-0.2). Кристаллы выращивали методом направленной кристаллизации расплава в холодном тигле. Фазовый состав определяли методом рентгеновской дифрактометрии. Проводимость кристаллов измеряли методом импедансной спектроскопии. Проведен сравнительный анализ фазового состава и проводимости полученных кристаллов с твердыми растворами на основе ZrO2, стабилизированного Yb2O3, Y2O3 и Gd2O3.
Все ростовые кристаллы (ZrO2)l-х(Eu2Oз)х имели черную окраску, которая изменялась на розовый цвет после отжига на воздухе. При 0.04 < х < 0.1 кристаллы были полупрозрачными и содержали в объеме микротрещины, которые становились хорошо заметными после отжига на воздухе. При х < 0.1 были получены однородные, прозрачные монокристаллы. По данным рентгеновской дифрактометрии, при увеличении концентрации Eu2C3 в твердых растворах, фазовый состав кристаллов менялся от смеси двух тетрагональных фаз к смеси тетрагональной и кубической фазы и
при увеличении концентрации ЕщОз больше 10 мол.% кристаллы обладали кубической флюоритовой структурой.
Удельная проводимость кристаллов с увеличением концентрации ЕщОз изменялась немонотонно. В исследованном диапазоне составов максимальной проводимостью обладали твердые растворы содержащие 10 мол.% EU2O3. При температуре 1173 К проводимость кристаллов (ZrO2)0.9(Eu2O3)0.1 составляла 0.037 См/см.
Сравнительный анализ кристаллов твердых растворов (ZrO2)1-x(R2O3)x, где R = Y, Yb, Gd, Eu показал, что для составов вблизи фазовой границы между тетрагональной и кубической модификацией диоксида циркония, образование стабильного кубического твердого раствора зависит не только от концентрации стабилизирующего оксида, но и от ионного радиуса стабилизирующего катиона. Увеличение ионного радиуса катиона в ряду Yb3+ ^ Y3+ ^ Gd3+ ^ Eu3+ (0.985, 1.019 и 1.053, 1.066 А соответственно) приводит к более высокой минимальной концентрации стабилизирующего оксида, которая необходима для образования кубического твердого раствора.
Исследование транспортных характеристик твердых растворов (ZrO2)1-x(R2O3)x показало, что проводимость кристаллов при 1173 К уменьшается с увеличением ионного радиуса катиона стабилизирующего оксида. Максимальной проводимостью на концентрационной зависимости обладают составы твердых растворов, содержащие 8 мол.% Yb2O3, 9 мол.% Y 2O3, 10 мол.% Gd2O3 и 10 мол.% EU2O3. Эти составы находятся вблизи границы между кубической и тетрагональной фазами на диаграмме состояния.
