Σύνθεση και χαρακτηρισμός υποκατεστημένων οξειδίων με δομή απατίτη για χρήση ως ηλεκτρολύτη σε κελιά καυσίμου στερεού οξειδίου

Abstract

Οι κυψέλες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) αποτελούν μία καθαρή και αντιρρυπαντική τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής απόδοσης.Οι ηλεκτρολύτες των SOFCs πρέπει μεταξύ άλλων να ικανοποιούν απαιτήσεις κατά τη λειτουργία της κυψέλης όπως: υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, αμελητέα ηλεκτρική αγωγιμότητα, συντελεστή θερμικής διαστολής συμβατό με τα υλικά συναρμογής τους, κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες καθώς και χημική και θερμοδυναμική σταθερότητα. Έχει βρεθεί πως τα πυριτικά οξείδια λανθανίου με δομή απατίτη επιδεικνύουν σχετικά υψηλή ιοντική αγωγιμότητα Ο2- και χαμηλή ενέργεια ενεργοποίησης σε αναγωγική ατμόσφαιρα και μεσαίες θερμοκρασίες. Πρόκειται για μια νέα οικογένεια υλικών που ανακαλύφθηκαν μόλις το 1998. [ ] Στην συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκαν συνθέσεις υποκατεστημένων απατιτών στις θέσεις κατιόντων La και Siκαι τον γενικό τύπο: La10-xΑzSi6-yΒyO26±δ , όπου Α=Ba, Ca και Β=Mn, Mg. Η σύνθεση έγινε με την μέθοδο sol- gel και εξετάστηκε η δυνατότητα σύνθεσης με την μέθοδο της μηχανοχημικής ενεργοποίησης. Μελετήθηκε η επίδραση στη κρυσταλλική δομή της υποκατάστασης των ιόντων πρόσμιξης στις Α, Β θέσεις μεμονωμένα και ταυτόχρονα. Ο χαρακτηρισμός των υλικών έγινε με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και της θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA). Η μελέτη της δομής έγινε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM)

A new type of materials that exhibit high ionic conductivity is apatite type oxides. These materials have the crystal structure of the well known apatite and general formula Μ10(ΧΟ4)6Ο2±δ where Μ: alkaline or rare earths and Χ: non metal e.g Si, P, Ge etc. This new type of materials exhibit significant conductivity in medium temperatures (600-800 οC) rising a potential in practical application for fuel cells. In this work A site substoichiometric materials of the general formula La10-xAxSi6-yΒzO26±δ, where Α=Ba, Ca, Mg and Β=Mn, Mg were prepared starting from La9.33Si6O26±δ apatite. Synthesis was performed by sol gel method and mechanochemical activation. In the case of wet chemistry synthesis the factors affecting their physical – chemical properties were investigated e.g. chemical composition, preparation. The prepared materials were characterized using X-rays diffraction, and thermal analysis (TG-DTG). The micrtostructure was observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). By sol gel synthesis high degree of homogeneity is achieved and as a result high purity final products. However the purity of the final product is determined by the precise control of synthesis parameters and precursors. Compared to conventional solid stated synthesis much lower temperatures are required for their formation (approx 400oC lower). A comparison is made among results from different preparation methods. The effect of the substitution ion on the structure is also studied.