Кинетика электродных процессов в системе La2NiO4+d | Ce0.8Sm0.2O1.9 | La2NiO4+d
Аннотация
В современном мире потребности человечества в энергии постоянно растут. Одна-ко увеличение количества производимой без использования альтернативных и возобнов-ляемых источников энергии приведет к истощению природных ресурсов и сильному ухудшению экологии. Чтобы не допустить такого исхода необходимо искать новые аль-тернативные источники энергии, поэтому разработки в данной области на сегодняшний день являются очень актуальными. Одним из альтернативных источников энергии могут служить твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) – устройства, преобразовывающие энергию химической реакции в энергию электрическую. ТОТЭ представляют собой одни из самых чистых и эффективных способов преобразования различного топлива в электри-чество. На сегодняшний день ТОТЭ уже применяются в качестве источников энергии в различных установках, однако их высокая рабочая температура (800 – 1000 ˚C) и как следствие, высокая стоимость вырабатываемой электрической энергии ограничивает их широкое внедрение и применение в различных отраслях промышленности. Снижение ра-бочей температуры (до 600 – 800 ˚C) с сохранением приемлемых характеристик является одним из главных направлений в исследованиях в области ТОТЭ. Одним из способов снижения рабочей температуры является научно обоснованный подход к разработке но-вых функциональных материалов.
Существенное влияние на работу электрохимических устройств (топливные эле-менты, электрохимические сенсоры, мембраны и т.п.) вносит кинетика протекания элек-трохимических процессов. Для успешного применения ТОТЭ в промышленности необхо-димо детальное понимание факторов, влияющих на механизм протекания электрохими-ческого процесса (температура, давление, способ изготовления электрохимических ячеек и др.). Исследования электродных процессов в электрохимических ячейках ТОТЭ пока-зывают, что процесс носит сложный многостадийный характер. Определение механизма протекания электродного процесса и совокупности факторов, которые оказывают влия-ние на механизм электродной реакции, позволит влиять на отдельные стадии электродно-го процесса и снижать потери, тем самым увеличивая общую эффективность ТОТЭ.
1. Методом спектроскопии электрохимического импеданса исследована электро-химическая активность La2NiO4+δ электродов с различной толщиной и микро-структурой в интервале давлений 0.2 – 21кПа и температур 700 – 800 °С. Уста-новлено, что величина поляризационного сопротивления для всех электродов увеличивается с уменьшением температуры и давления кислорода.
2. Установлено, что электродный процесс определяется как минимум тремя ре-лаксационными процессами, предположительно связанными с диффузией ионов кислорода на границе электрод/электролит, переносом заряда в адсорб-ционном слое, межфазным обменом и диффузией кислорода в La2NiO4+δ.
3. Изменение толщины и микроструктуры электродов не влияет на механизм электродной реакции, но влияет на электрохимический отклик: изменяется ве-личина поляризационного сопротивления и соотношение вкладов отдельных стадий электрохимического процесса в общее поляризационное сопротивле-ние.
4. Показана корреляция между данными, определенными методами импедансной спектроскопии и изотопного обмена для La2NiO4+δ.
5. Установлено, что катодная поляризация ведет к увеличению поляризационного сопротивления, а анодная к уменьшению. В области катодной поляризации скорость определяющим является процесс восстановления кислорода до иона кислорода, в то время как в области анодной поляризации лимитирующим процессом является процесс диссоциативной адсорбции/ассоциативной де-сорбции кислорода. Показано, что наибольшее влияние поляризация оказывает на низкочастотный процесс, связанный с межфазным обменом и диффузией в La2NiO4+δ.
Существенное влияние на работу электрохимических устройств (топливные эле-менты, электрохимические сенсоры, мембраны и т.п.) вносит кинетика протекания элек-трохимических процессов. Для успешного применения ТОТЭ в промышленности необхо-димо детальное понимание факторов, влияющих на механизм протекания электрохими-ческого процесса (температура, давление, способ изготовления электрохимических ячеек и др.). Исследования электродных процессов в электрохимических ячейках ТОТЭ пока-зывают, что процесс носит сложный многостадийный характер. Определение механизма протекания электродного процесса и совокупности факторов, которые оказывают влия-ние на механизм электродной реакции, позволит влиять на отдельные стадии электродно-го процесса и снижать потери, тем самым увеличивая общую эффективность ТОТЭ.
1. Методом спектроскопии электрохимического импеданса исследована электро-химическая активность La2NiO4+δ электродов с различной толщиной и микро-структурой в интервале давлений 0.2 – 21кПа и температур 700 – 800 °С. Уста-новлено, что величина поляризационного сопротивления для всех электродов увеличивается с уменьшением температуры и давления кислорода.
2. Установлено, что электродный процесс определяется как минимум тремя ре-лаксационными процессами, предположительно связанными с диффузией ионов кислорода на границе электрод/электролит, переносом заряда в адсорб-ционном слое, межфазным обменом и диффузией кислорода в La2NiO4+δ.
3. Изменение толщины и микроструктуры электродов не влияет на механизм электродной реакции, но влияет на электрохимический отклик: изменяется ве-личина поляризационного сопротивления и соотношение вкладов отдельных стадий электрохимического процесса в общее поляризационное сопротивле-ние.
4. Показана корреляция между данными, определенными методами импедансной спектроскопии и изотопного обмена для La2NiO4+δ.
5. Установлено, что катодная поляризация ведет к увеличению поляризационного сопротивления, а анодная к уменьшению. В области катодной поляризации скорость определяющим является процесс восстановления кислорода до иона кислорода, в то время как в области анодной поляризации лимитирующим процессом является процесс диссоциативной адсорбции/ассоциативной де-сорбции кислорода. Показано, что наибольшее влияние поляризация оказывает на низкочастотный процесс, связанный с межфазным обменом и диффузией в La2NiO4+δ.