Синтез, структура и свойства Bi22W5-xMxO48-δ (M= Mn, Fe, Co)
Аннотация
Поиск новых материалов компонентов электрохимических устройств, в том числе топливных элементов, является одной из важных задач в современном мире. К основным компонентам таких устройств относятся электролит, катод и анод. Среди твердооксидных электролитов широкое распространение получил иттрий-стабилизированный диоксид циркония (YSZ), обладающий достаточно высокими значениями кислород-ионной проводимости и отличающийся химической стабильностью и инертностью по отношению к материалам электродов. Главным недостатком данного электролита является его высокие рабочие температуры (около 1273 К), которые приводят к существенному снижению времени жизни такого устройства. Поэтому актуальным является поиск и создание новых составов электролитов с более низкими рабочими температурами и высокими показателями.
К перспективным твердым электролитам относятся соединения на основе δ-Bi2O3 с кубической структурой флюорита, среди которых можно выделить вольфрамат висмута Bi22W5O48, значения ионной проводимости которого сопоставимы по величине с YSZ в температурном интервале 773-1073 К. Однако есть необходимость повышения значений электропроводности и стабилизации кубической структуры вольфрамата висмута в широком температурном интервале, улучшения химической и механической стабильности по отношению к материалам электродов. В литературе отсутствуют данные относительно замещенного Bi22W5O48, поэтому в настоящей работе впервые получены и изучены соединения с общей формулой Bi22W5-xMxO48-δ (M=Mn, Fe, Co). В качестве допантов на позиции вольфрама были выбраны ионы меньшей валентности (марганец, железо и кобальт), не противоречащие правилу Гольдшмидта.
Синтезированные соединения аттестованы с помощью рентгенофазового анализа, по результатам которого выявлено, что все образцы однофазны и обладают кубической структурой (пр. гр. Fm3m). Рассчитаны параметры элементарной ячейки.
Для изучения физико-химических свойств определяли общую электропроводность образцов методом импедансной спектроскопии. Результаты показали, что введение в подрешетку матричного соединения Bi22W5O48 катионов металлов с меньшей степенью окисления приводит к росту электропроводности замещенных соединений по сравнению с матричным за счет возможного увеличения числа кислородных вакансий, с одной стороны, и возрастания вклада электронной составляющей проводимости за счет переменной степени окисления допантов, с другой стороны. Наибольшими значениями электропроводности обладает соединение состава Bi22W4.9Со0.1O48-δ (σ(1123 К)=0.145 Ом-1·см-1).
К перспективным твердым электролитам относятся соединения на основе δ-Bi2O3 с кубической структурой флюорита, среди которых можно выделить вольфрамат висмута Bi22W5O48, значения ионной проводимости которого сопоставимы по величине с YSZ в температурном интервале 773-1073 К. Однако есть необходимость повышения значений электропроводности и стабилизации кубической структуры вольфрамата висмута в широком температурном интервале, улучшения химической и механической стабильности по отношению к материалам электродов. В литературе отсутствуют данные относительно замещенного Bi22W5O48, поэтому в настоящей работе впервые получены и изучены соединения с общей формулой Bi22W5-xMxO48-δ (M=Mn, Fe, Co). В качестве допантов на позиции вольфрама были выбраны ионы меньшей валентности (марганец, железо и кобальт), не противоречащие правилу Гольдшмидта.
Синтезированные соединения аттестованы с помощью рентгенофазового анализа, по результатам которого выявлено, что все образцы однофазны и обладают кубической структурой (пр. гр. Fm3m). Рассчитаны параметры элементарной ячейки.
Для изучения физико-химических свойств определяли общую электропроводность образцов методом импедансной спектроскопии. Результаты показали, что введение в подрешетку матричного соединения Bi22W5O48 катионов металлов с меньшей степенью окисления приводит к росту электропроводности замещенных соединений по сравнению с матричным за счет возможного увеличения числа кислородных вакансий, с одной стороны, и возрастания вклада электронной составляющей проводимости за счет переменной степени окисления допантов, с другой стороны. Наибольшими значениями электропроводности обладает соединение состава Bi22W4.9Со0.1O48-δ (σ(1123 К)=0.145 Ом-1·см-1).