Синтез твердого оксидного электролита на основе оксидов висмута и лантана методом химического соосаждения

Природа ионной проводимости в твердых телах. Виды твердых оксидных электролитов, их применение в разных устройствах. Структура и свойства оксида висмута, его совместное химическое осаждение с оксидом лантана. Анализ синтезированного твердого электролита.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

26

Содержание

Введение

1. Литературная часть

1.1 Природа ионной проводимости в твердых телах. Твердые оксидные электролиты

1.2 Отклонения от стехиометрического состава и характер электропроводности ионных соединений

1.3 Устройства с твёрдыми оксидными электролитами

1.4 Структура и свойства оксида висмута (III)

1.5 Термический анализ

1.5.1 Дифференциально-термический анализ (ДТА)

1.6 Рентгеновский фазовый анализ

2. Методическая часть

2.1 Исходные материалы и реактивы

2.2 Методы исследования

2.2.1 Дифференциальный термический анализ

2.2.2 Рентгеновский фазовый анализ

3. Экспериментальная часть

3.1 Совместное химическое осаждение висмута и лантана

Выводы

Литература

Введение

Будущее человечества во многом зависит от того, сможет ли оно обеспечить себя энергией. Уже сейчас налицо признаки обострения энергетической проблемы. В настоящее время основную часть энергии мы получаем из ископаемых энергетических ресурсов, которые ограничены. Разработка высокоэффективных устройств для производства электроэнергии - задача сегодняшнего дня, а стратегическая задача - создание высокоэффективной энергетики, основанной на возобновляемых энергоносителях. Значительный, если не основной, вклад в решение как первоочередной, так и стратегической задачи может внести электрохимическая энергетика. Это научное направление изучает весь комплекс проблем, связанных с взаимным преобразованием различных видов энергии в электрохимических устройствах. Исследования показали, что эффективность преобразования энергии в этих устройствах, если их основой служат твердые оксидные проводники с ионной проводимостью, значительно выше, чем у существующих ныне средств производства электроэнергии [1].

Повышенный интерес к твердым оксидным электролитам (ТОЭ) проявляется как со стороны теоретического изучения, так и со стороны их практического применения в ряде областей современной техники. ТОЭ используются для создания разнообразных электрохимических устройств. Кислородные ионные проводники занимают особое место в этой группе материалов. Их используют в качестве кислородопроводящих мембран для топливных элементов, а также в первичных химических источниках тока.

К числу перспективных ТОЭ принадлежат материалы на основе оксида висмута. Повышенный интерес к этой группе материалов обусловлен тем, что они проявляют ионопроводящие свойства в области низких температур 600800 К, в которой использование других ионных проводников не эффективно. Наиболее эффективный ионный перенос и, соответственно, высокая кислородная проводимость реализуются в системах со структурой флюорита типа -Bi₂O₃ в присутствии стабилизирующих добавок - оксидов РЗЭ Me₂O₃ (Me - Y, La, Gd, Sc и т.п.).

Целью данной работы является синтез твердого оксидного электролита Bi₂O₃-La₂O₃ методом химического соосаждения с применением методов дифференциального термического анализа и рентгеновского фазового анализа [2].

1. Литературная часть

1.1 Природа ионной проводимости в твердых телах. Твердые оксидные электролиты

Электролиты - это те вещества, которые в растворенном или в расплавленном состоянии проводят электрический ток. Электролиты - проводники второго рода. Передача тока в них осуществляется движением положительных и отрицательных ионов, тогда как в проводниках первого рода - движением электронного газа. Для удобства изучения электролиты делят на сильные и слабые.

Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы. К ним относятся:

1) почти все растворимые соли;

2) многие неорганические кислоты;

3) гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

Слабые электролиты при растворении в воде лишь частично диссоциируют на ионы. К ним относятся:

1) почти все растворимые органические кислоты;

2) некоторые неорганические кислоты;

3) многие гидроксиды металлов (кроме гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов) [3].

Так как ионная проводимость большинства твердых веществ очень мала, то предложено определение, согласно которому твердыми электролитами называются соединения с у_i ? 10^-3 - 10^-4 (Ом·см)^-1, имеющие преимущественно ионную проводимость[4].

Кристаллические твердые электролиты по своей дефектной структуре, определяющей их транспортные свойства, делятся на три основных класса:

· твердые электролиты с собственной разупорядоченностью;

· твердые электролиты с примесной разупорядоченностью;

· твердые электролиты со структурной разупорядоченностью.

Особенности строения, механизма проводимости позволяют выделить некоторые твердые электролиты в особые классы:

· аморфные твердые электролиты.

Рассмотрим приведенные выше классы.

Твердые электролиты с собственной разупорядоченностью.

Условие электронейтральности требует, чтобы в ионном кристалле одновременно присутствовали точечные дефекты, по крайней мере двух типов, обладающие противоположными знаками эффективных зарядов. В стехиометрических ионных кристаллах, где отсутствует электронная разупорядоченность, этому требованию удовлетворяют четыре комбинации точечных ионных дефектов:

1. Катионные вакансии и катион, внедренные в междоузлия (дефекты Френкеля). Образование дефектов Френкеля может происходить в любой области кристалла, когда катион, получив в результате тепловой флуктуации достаточную энергию, переходит из нормального узла в соседнее междоузлие, а затем удаляется от образовавшейся вакансии на достаточно большое расстояние.

2. Анионные вакансии и анионы, внедренные в междоузлия (антифренкелевские дефекты). Эта комбинация отличается от предыдущей лишь зарядами дефектов.

3. Вакансии в катионной и анионной подрешетках (дефекты Шоттки). В этом случае ионы, покинув нормальные узлы, не могут разместится в междоузлиях и выходят на поверхность кристалла, достраивая кристаллическую решетку.

4. Междоузельные катионы и анионы (антишотткиевские дефекты). В этом случае ионы переходят в междоузлия с поверхности, в результате чего число узлов решетки уменьшается.

Помимо рассмотренных дефектов, в твердых электролитах могут возникать так же отклонения от стехиометрического состава [5].

1.2 Отклонения от стехиометрического состава и характер электропроводности ионных соединений

Отклонение от стехиометрического состава может возникать в результате избыточного содержания в соединении электроотрицательного (неметалла) или электроположительного(металла) компонента. В первом случае компенсация заряда обеспечивается соответствующим недостатком валентных электронов - электронными дырками (заряд носителей положителен, проводимость р-типа), во втором заряд компенсируется недостатком электронов (заряд носителей отрицателен, проводимости n-типа). Отклонения от стехиометрического состава вызывают радикальные изменения в характере проводимости ионных кристаллов, которые, самым тесным образом связаны с важнейшими физико-химическими характеристиками твердых тел, такими как диэлектрические, магнитные, диффузионные, термоэлектрические и электрохимические характеристики, коррозионнозащитные свойства, реакционная способность и так далее [5].

1.3 Устройства с твёрдыми оксидными электролитами

Конструкций, в основе которых лежат твёрдые оксидные электролиты, запатентовано очень много, но принцип их действия одинаков и довольно прост. Схема электрохимического устройства приведена на рисунке 1. Это пробирка с парой электродов на стенке, снаружи и внутри. Она помещена в нагреватель; внутрь пробирки и в пространство, её окружающее, можно подводить газ.

К таким устройствам относятся:

§ потенциометрические датчики;

§ кислородные насосы;

§ электрохимические насосы;

§ электролизеры;

§ теплоэлектрогенераторы;

§ топливные элементы.

1 - пробирка из ТОЭ, 2 - корпус, 3 - электроды, 4 - нагреватель, 5 - теплоизоляция, стрелки - потоки газа.

Рисунок 1 - Схема электрохимического устройства

В настоящее время перспективным материалом для создания твердых оксидных электролитов является оксид висмута Вi₂О₃, проявляющий ионопроводящие свойства в области низких температур 600800 К, в которой использование других ионных проводников не эффективно [6].

1.4 Структура и свойства оксида висмута (III)

Вi₂О₃ - устойчивый в обычных услови...