CC BY
2Покрытия для токовых коллекторов ТОТЭ: синтез и исследование физико-
химических свойств
А.В.Храменкова1, О.А.Финаева1, Д.Н.Изварина1, О.В.Пикалов2,
Н.В.Деменева2
1ЮРГПУ(НПИ), 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвещения, д. 132 2ИФТТРАН, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, д.2
Coatings for SOFC current collectors: synthesis and study of physicochemical properties
A.V.Khramenkova1, O.A.Finaeva1, D.N.Izvarina1, O.V.Pikalov2,
N.V.Demeneva2
1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "M.I. Platov South Russian State Polytechnic University (NPI) ", 346428, Novocherkassk, Rostov region, Prosveshcheniya, 132
2Osipyan Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region, Academician Osipyan, 2
e-mail: [email protected]
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.43
К одним из перспективных систем преобразования энергии в настоящее время относятся топливные элементы, в частности твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). В настоящее время ТОТЭ разрабатывают как для стационарных генераторов высокой мощности (от 100 кВт до 1 МВт), так и для портативных электронных устройств. Более того, стремительное развитие микроэлектроники и, как следствие, тонкопленочных технологий создает предпосылки к использованию микро-ТОТЭ как потенциальной альтернативы аккумуляторам в портативных электронных устройствах [1].
Токовые коллекторы - внутренние электрические соединения, которые соединяют между собой одиночные элементы в батарее ТОТЭ и влияют на ее долговременную стабильность. Однако при их работе в интервале высоких температур (800-1000 °С) происходит образование летучих газообразных соединений хрома, отравляющих катод, что в дальнейшем приводит к деградации ТОТЭ. В связи с вышеизложенным, остро стоит необходимость поиска решений, направленных на повышение долговечности работы токовых коллекторов.
В данной работе представлены результаты по синтезу Co-Mn покрытий со структурой шпинели на поверхности нержавеющей стали марки Crofer 22 APU с использованием метода нестационарного электролиза, исследованию их морфологии и валентного состояния элементов поверхностного слоя.
Формирование покрытий проводили на предварительно подготовленной поверхности стали марки Crofer 22 APU под действием переменного асимметричного тока промышленной частоты, представляющего две полусинусоиды разной амплитуды. Электрохимической ячейкой служил стеклянный термостатированный электролизер емкостью 200 мл, в который помещали рабочий электрод, противоэлектрод, магнитную мешалку и термометр. В качестве рабочего электрода использовали нержавеющую сталь марки Crofer 22 APU, противоэлектродами служила нержавеющая сталь марки AISI 304.
Оптимальный состав электролита был следующим гл-1: нитрат кобальта (Co(NO3)2-6H2O) - 200; хлорид кобальта (C0CI26H2O) - 20; хлорид никеля (МСЬ-бШО) - 20; сульфат марганца (MnSO45H2O) - 1,5; борная кислота (H3BO3) - 30; алкилсульфат натрия - 1,0. Средняя плотность за период катодного тока составила (jk) 0,9 А-дм-2, анодного (ja) 1,4 А-дм-2. Температура электролиза 70 °С, время нанесения покрытия 50 мин.
Исследование морфологии и элементного состава покрытий осуществляли без дополнительной пробоподготовки с использованием сканирующего электронного микроскопа SUPRA 50 (ЦКП Института физики твердого тела Российской академии наук) с сверхвысоким разрешением на малых ускоряющих напряжениях: 1,7 нм при 1 кВ, 3,5 нм при 200 В.
Для определения фазового состава разрабатываемых покрытий использовали рентгеновский дифрактометр ДРОН-8Н, оснащенный параболическим зеркалом на первичном пучке и позиционно-чувствительным детектором Mythen 2R 1D (ЦКП «НАНОТЕХ», Институт физики прочности и материаловедения Сибирское отделение Российской академии наук).
Рентгеновские фотоэлектронные спектры были получены на модернизированном рентгеноэлектронном спектрометре ЭС-2401 с использованием
немонохроматизированного рентгеновского излучения магниевого анода (hv=1253,6 эВ) (ЦКП "Центр физических и физико-химических методов анализа, исследования свойств и характеристик поверхности, наноструктур, материалов и изделий", Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук»).
Как видно из рисунка 1 (а), морфология поверхности покрытия носит фрагментарный характер. Основными элементами покрытия по данным рентгеноспектрального микроанализа являются кобальт, марганец, кислород, а также в незначительных количествах железо, хром и углерод (б).
Рисунок 1. Микрофотография поверхности покрытия (а) и ББХ спектры (б)
Фазовый состав синтезированных покрытий определяли методом рентгеновской дифракции. Установлено, что основной фазой синтезированных покрытий является кобальт-марганцевая шпинель С02МПО4.
Рисунок 2. РФЭС спектры
На рисунке 2 показан обзорный спектр сканирования Co2MnO4, на котором четко видны пики Co, Mn, O, Fe и C. Детальное исследование спектров отдельных элементов позволяет сделать следующие выводы. Значение Есв основного максимума спектра Co2p3/2 (~ 780 эВ) соответствует окисленному кобальту. Наличие высокого фона в области 645 эВ позволяет утверждать, что часть марганца находится в состоянии 2+. Основной пик в области 530-530,5 эВ соответствует кислороду, непосредственно связанному с атомами металлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 24-23-00113, https://rscf.ru/project/24-23-00n3/.
Литература
[1] J. C. Mah, A. Muchtar, M. R.Somalu, M. J. Ghazali "Metallic interconnects for solid oxide fuel cell: A review on protective coating and deposition techniques." J. Hydrogen Energy, vol.42, N14, pp. 9219-9229 (2017).
