Объектами исследования настоящей работы являются катодные материалы на основе сложного оксида Сa3Co4O9+δ. Цель работы – апробация материалов на основе Сa3Co4O9+δ, которые могут быть использованы в качестве катодов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов с протон-проводящими электролитами BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3- и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. Методом пиролиза цитрат-солевых композиций проведен синтез сложных оксидов Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. При помощи комплекса современных методов исследования выполнена фазовая, структурная и микроструктурная аттестация оксидов Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4 xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ и BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. Термогравиметрическим методом исследована термическая устойчивость Сa3Co4O9+δ на воздухе и в атмосфере аргона. Термическое расширение оксидов Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ изучено методом дилатометрии, доказана их термическая совместимость. Изучена химическая совместимость оксида Сa3Co4O9+δ с электролитными материалами Ba2In1.8W0.2O5.15, 0.7Ba2In2O5·0.3Ba2InNbO6, Ba3Ca1.18Nb1.82O9 δ, BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3 δ, а также материалами коллекторных слоев La0.6Sr0.4MnO3-δ и LaNi0.6Fe0.4О3 δ, установлена оптимальная температура припекания катодного материала Сa3Co4O9+δ к электролиту BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ. Исследованы температурные зависимости электропроводности Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ на воздухе. Сформированы электроды на основе композитов с различным массовым содержанием Сa3Co4O9+δ и BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ на подложках из BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, а также электроды на основе Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0; 0.05; 0.1; 0.15) на подложках из BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ. Методом импедансной спектроскопии на симметричных ячейках измерены поляризационные характеристики полученных электродов, а также электродов с оксидным коллектором состава La0.6Sr0.4MnO3-δ+2 масс.% CuO. / The object of study in this work is a cathode material based on the Сa3Co4O9+δ. The aim of the work is to study the electrochemical behavior of electrodes based on the Сa3Co4O9+δ with the electrolyte materials BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3- and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-. The synthesis of the Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3- complex oxides was carried out by pyrolysis of citrate-salt compositions. Using a complex of modern research methods, phase, structural and microstructural attestation of the Сa3Co4O9+δ, Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0.05; 0.1; 0.15; 0.2), BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ and BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3- oxides were carried out. The thermal stability of the Сa3Co4O9+δ in air and in the argon atmosphere was studied by the thermo gravimetrical method. The thermal expansion of the Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ oxides was studied by dilatometry, and their thermal compatibility was proved. The chemical compatibility of the Сa3Co4O9+δ oxide with the electrolyte materials Ba2In1.8W0.2O5.15, 0.7Ba2In2O5·0.3Ba2InNbO6, Ba3Ca1.18Nb1.82O9 δ, BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, Lа0.6Sr0.4MnO3-δ and LaNi0.6Fe0.4О3-δ collector materials was studied, the optimal temperature of the cathode material Сa3Co4O9+δ annealing to the BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ electrolyte was established. The temperature dependences of the electrical conductivity of the Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ in air were investigated. Electrodes based on composites with different mass contents of Сa3Co4O9+δ and BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ on substrates of BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3-δ, as well as electrodes based on Ca3Co4-xCuxO9 (х = 0; 0.05; 0.1; 0.15) on substrates of BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3  were formed. The polarization characteristics of the obtained electrodes, including those with an La0.6Sr0.4MnO3-δ+2 wt.% CuO oxide collector, were studied by the method of impedance spectroscopy on the symmetric cells.

Работа содержит 71 страницу, 52 рисунка, 8 таблиц, 73 наименования в списке литературы. Ключевые слова: ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, КАТОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, СТРУКТУРА РАДДЛЕСДЕНА-ПОППЕРА, ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ, ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, ХИМИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ. Методом пиролиза глицерин-нитратных композиций проведен синтез сложных оксидов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4). Методом рентгеновской дифракции определен фазовый состав порошков Nd1.6Ca0.4Ni1 yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) (ДРОН-6). Методом Ритвелда при использовании программного пакета FullProf Suite уточнены кристаллоструктурные параметры Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) при 25 С. Проведены высокотемпературные рентгеновские исследования порошков Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0 - 0.3). Методами термогравиметрии (NETZSCH STA 449F3) и окислительно-восстановительного (потенциометрического) титрования (Аквилон АТП-02) проведено определение абсолютного содержания кислорода в образцах Nd1.6Ca0.4Ni1 yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) на воздухе. Методом дилатометрии (Netzsch DIL 402C) исследовано термическое расширение спеченных образцов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Из наклона экспериментальных зависимостей относительного удлинения образцов рассчитаны изобарические линейные коэффициенты термического расширения Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Четырех-зондовым методом на постоянном токе на воздухе с использованием автоматической системы Zirconia-318 получены температурные зависимости проводимости спеченных образцов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Проведены исследования химической совместимости Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.2; 0.4) с оксидными материалами для традиционных электролитов ТОТЭ. На анализаторе дисперсности SALD-7101 Shimadzu методом лазерного светорассеяния выполнено определение распределения частиц по размерам в порошках Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4). Величины удельной поверхности Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) оценивали методом тепловой десорбции азота на автоматическом анализаторе поверхности и пористости SoftSorbi-II ver.1.0. Определение коэффициента диффузии ионов кислорода проводили методом температурно-программируемого изотопного обмена. Электрохимическая активность катодных материалов Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.1; 0.3) исследована методом импедансной спектроскопии с помощью потенциостата SI 1260 и электрохимического интерфейса SI 1287 (Solartron Industries Inc.). На основе полученных данных сделан вывод о перспективности оксидных материалов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0 0.4) в качестве катодных материалов для среднетемпературных ТОТЭ. / Present work contains 71 pages, 52 figures, 8 tables, 73 references in the literature list. Keywords: SOLID OXIDE FUEL CELLS, CATHODE, RUDDLESDEN-POPPER STRUCTURE, THERMAL EXPANSION, ELECTROCONDUCTIVITY, CHEMICAL COMPATIBILITY. Synthesis of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) complex oxides was carried out by the glycerol-nitrate compositions pyrolysis. Phase composition of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) powders was determined by the X-ray diffraction (DRON-6). The crystal structure parameters of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) oxides at 25 °C were refined by the Rietveld method using the FullProf Suite software package. High-temperature X-ray studies were performed on the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) powders. The thermogravimetry (NETZSCH STA 449F3) and redox titration (potentiometric) methods (Aquilon ATP-02) were used for the determination of an absolute oxygen content in the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) samples in air. Thermal expansion of the compact Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) samples were studied using the dilatometry (Netzsch DIL 402C) method. The isobaric linear coefficients of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) thermal expansion were calculated from linearization of the experimental dependencies of samples’ relative elongation. The temperature dependencies of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) compact samples’ conductivity were obtained using the four-probe method at direct current in air with automatic system Zirconia-318. Chemical compatibility of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.2; 0.4) with electrolytes oxide materials for solid oxide fuel cells (SOFC) has been studied. Particle size distribution in the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) powders was determined by laser light scattering using a SALD-7101 Shimadzu dispersion analyzer. The values of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) specific surface were estimated by the method of nitrogen thermal desorption on an automatic surface and porosity analyzer SoftSorbi-II ver.1.0. The oxygen ion diffusion coefficients were determined by temperature programmed isotope exchange of oxygen. Electrochemical activity of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) cathode materials was investigated by impedance spectroscopy using a SI 1260 potentiostat and SI 1287 electrochemical interface (Solartron Industries Inc.). Based on the obtained data, it could be concluded that the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ oxide materials are promising as cathode materials for intermediate-temperature SOFC’s.