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For the first time, triblock copolymers of novel styrenic-based macromolecules were investigated in detail and examined for structure-morphology-performance relationships. We were able to design novel imidazolium- and phosphonium-containing styrenic macromolecules using controlled radical polymerization and conventional free radical polymerization strategies, for a variety of potential applications including electromechanical devices, ionic liquids, adhesives, and lithium-ion batteries. Block copolymers have a unique architecture providing physical crosslinking to behave as thermoplastic elastomers. We preferred ABA triblock copolymers as compared to random and diblock copolymers for improved mechanical performance. ABA triblock copolymers synthesized using nitroxide-mediated polymerization (NMP) of polystyrene external blocks and a charged imidazolium-containing central block, exhibited sufficient modulus and ionic conductivity for electromechanical transducers. We successfully reported the actuation behavior of triblock copolymers in the presence of added ionic liquid for the first time. We proposed that diluting the ion concentration of the ion-rich phase with neutral polymer comonomers that reduces Tg, increases ion dissociation, and potentially maximizes ionic conductivity. Tendency of ethylene-oxide units to coordinate cations, forming stable crown ether-like, multi-nuclear coordination complexes, promotes solvation and dissociation of ionic aggregates. In situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to monitor the thermal polymerization in various acrylate and methacrylate monomers. It was found that acrylates have lower activation energy than methacrylates. The copolymerizations of poly(ethylene glycol)methyl ether acrylate (EG9MEA) and imidazole-containing monomer (VBIm) resulted in controlled polymerization kinetics with narrow molecular weight distributions. The control behavior of the copolymerizations is likely attributed to the observed decrease in calculated apparent rate constants for the copolymerizations with addition of VBIm as comonomer. Reversible addition fragmentation transfer (RAFT) successfully synthesized well-defined A-BC-A triblock copolymers containing a synergy of pendant ether and imidazolium sites. We demonstrated that electromechanical transducers derived from these triblock copolymer membranes with added ionic liquid showed superior actuation performance compared to a benchmark Nafion® membrane, suggesting potential for ionic polymer device applications. This was attributed to optimum modulus, improved ionic conductivity, and microphase-separated morphology of triblock copolymers. Conventional free radical polymerization and anion metathesis of 4-(diphenylphosphino)styrene (DPPS) successfully generated high molecular weight triaryl phosphine-containing copolymers. These macromolecules have no -CH2 group at the benzylic position increasing the thermal stability of the DPPS-containing polymers. Counterion exchange to fluorinated, bulkier anions broadened the library of polyelectrolytes, led to improved thermal stabilities, lower glass transition temperatures, and tunable wetting behavior. We also reported the synthesis of salt-responsive copolymers using conventional free radical polymerization. Adhesive performance measurements such as peel tests and probe tack enforced the application of these polymers as pressure sensitive adhesives. We also demonstrated the synthesis and subsequent neutralization of novel, well-defined A-BC-A triblock copolymers containing a soft central 'BC' block consisting of Sty-Tf2N and DEGMEMA with polystyrene external blocks. Sty-Tf2N monomer enables an important delocalization of the negative charge. Li+ has weak interactions with this anionic structure, consequently enabling a high dissociation level. Li+ ions are associated to the polymer chain to produce high transport numbers. Furthermore, incorporating DEGMEMA lowers the Tg of the charged block copolymers, thereby increasing the segmental mobility and thus ionic conductivity. Finally, the structure-property-morphology study of these triblock copolymers will be helpful for their use in potential applications such as ion-containing membranes, lithium-ion batteries. / Ph. D.

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(人間・環境学) / 甲第24149号 / 人博第1052号 / 新制||人||246(附属図書館) / 2022||人博||1052(吉田南総合図書館) / 京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻 / (主査)教授 内本 喜晴, 教授 吉田 鉄平, 准教授 松井 敏明, 教授 林 晃敏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human and Environmental Studies / Kyoto University / DFAM

Schon seit dem 17. Jahrhundert ist bekannt, dass kolloidales Gold in wässrigen Lösungen eine rötliche Färbung hervorruft; ein Effekt der direkt aus der Nanostrukturierung des Goldes resultiert. Neben der Modifizierung optischer Eigenschaften können durch Nano- oder Mikrostrukturierung auch andere, neuartige Charakteristika hervorgerufen werden, wie bspw. an Bi3Ni nachgewiesen werden konnte: Mittels mikrowelleninduzierter, reduktiver Umsetzung in Ethylenglykol (mikrowellenunterstützter Polyol-Prozess) konnten submikroskalige Bi3Ni-Stäbchen kristallisiert werden, die in Magnetisierungsmessungen die überaus seltene Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus zeigten. Ein Quanteneffekt, der im entsprechenden Volumenmaterial nicht nachgewiesen werden kann und auf spezielle Oberflächenzustände zurückzuführen ist. Durch Nanostrukturierung können außerdem die chemischen Eigenschaften entscheidend beeinflusst werden, wie an BiRh gezeigt werden konnte. Der mikrowellenunterstützte Polyol-Prozess begünstigt hierbei die Kristallisation von pseudohexagonalen Plättchen mit 60 nm Durchmesser und 20 nm Dicke. Im Gegensatz zum Volumenmaterial zeigten diese in der industrierelevanten Semihydrierung von Acetylen zu Ethylen Bestwerte sowohl in Bezug auf den Umsatz als auch die Selektivität. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollten mithilfe des mikrowellenunterstützten Polyol-Prozesses im Rahmen der vorliegenden Dissertation nanostrukturierte, intermetallische Verbindungen des Typs M–M‘ (M = Sn, Pb, Sb, Bi; M‘ = Fe, Co, Ni, Cu, Pd, Ir, Pt) hergestellt und eingehend chemisch sowie physikalisch charakterisiert werden. Als Edukte dienten Metallsalze, die stets in Ethylenglykol als primäres Lösungs- und Reduktionsmittel umgesetzt wurden. Das Polyol nimmt zusätzlich als oberflächenaktive Substanz Einfluss auf Partikelgröße und -gestalt. Zur Optimierung der Synthesen und um möglichst viele Phasen zugänglich zu machen, wurden Art und Konzentration der Metallsalze, pH-Wert, Reaktionstemperatur und -zeit variiert sowie die Zugabe von Oleylamin und/oder Ölsäure getestet. Oleylamin und Ölsäure sind ihrerseits oberflächenaktive Substanzen, wobei erstere zugleich reduktiv wirken kann. Die methodeninhärente Nanostrukturierung der Produkte führte teilweise zu bemerkenswerten Effekten in der Phasenbildung sowie Beeinflussung der chemischen Eigenschaften. Nahezu das komplette binäre Phasensystem Bi–Pd konnte durch Optimierung der Syntheseparameter zugänglich gemacht werden. Die Besonderheit hierbei: Neben den Raumtemperaturphasen Bi2Pd, Bi2Pd5 und BiPd3 konnte Bi12Pd31 als Hochtemperaturmodifikation sowie die neue und zugleich metastabile Modifikation gamma-Bi1.0Pd erzeugt und stabilisiert werden. Das im NiAs-Strukturtyp kristallisierende gamma-Bi1.0Pd zeigte in Magnetisierungs- und Widerstandsmessungen Supraleitung unterhalb von 3.2 K. Mittels mikrowellenunterstütztem Polyol-Prozess gelang bereits in eigenen Vorarbeiten die Synthese von nanostrukturiertem Bi3Ir. Die Verbindung ist ausschließlich in nanopartikulärer Form bei Raumtemperatur empfindlich gegenüber molekularem Sauerstoff und bildet im Zuge einer unkonventionellen oxidativen Interkalation das intermetallische Suboxid Bi3IrOx. Dieses Verhalten ist verknüpft mit einer amorphen Hülle um die Bi3Ir-Nanopartikel, da diese zur Aktivierung des molekularen Sauerstoffs benötigt wird. Unter Einsatz von Reduktionsmitteln — z.B. Wasserstoff, Superhydrid®, Hydrazin — ist der Oxidationsprozess für x < 2 vollständig reversibel. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Erkenntnisse über Bi3Ir und Bi3IrOx vertieft werden: Bi3IrOx konnte als erster Sauerstoffionenleiter bei Raumtemperatur klassifiziert werden, der darüber hinaus metallisch ist. Dies gelang mittels Röntgen- und Elektronenbeugung, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, quantenchemischen Rechnungen, und Experimenten zur Reaktionskinetik. Mit 84 meV ist die Aktivierungsenergie für die Ionenleitung um eine Größenordnung kleiner als in allen konventionellen Sauerstoffionenleitern. Der Diffusionskoeffizient beträgt für 25 °C 1.2·10–22 m2s–1, was in Anbetracht der 10–19 m2s–1 des Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxids (häufig genutztes Referenzmaterial) bei 150 °C wenig erscheint, aber eben schon für Raumtemperatur gilt. Durch den mikrowellenunterstützten Polyol-Prozess konnten erstmals phasenreine, nanostrukturierte Proben von PbPd3, Pd20Sb7, Pd8Sb3, PdSb, Ni5Sb2, und Pd13Sn9 synthetisiert werden sowie alternative Syntheserouten für weitere Phasen (alpha-/beta-/gamma-Bi2Pt, BiPt, NiSb, beta-Ni3Sn2, Pd2Sn, PdSn, Pt3Sn, PtSn, PtPb) ermittelt werden, wobei mehrfach die Bildung von Hochtemperaturphasen beobachtet wurde. Weiterhin konnten einige Grenzen der Methode aufgezeigt werden: Während blei- und bismutreiche Phasen prinzipiell einfach kristallisiert werden können, sind antimon- und zinnreiche Verbindungen mit der Methode kaum erreichbar. Außerdem zeigte sich, dass in den meisten Phasensystemen nur bestimmte Verbindungen angesteuert werden können; die Bildung der intermetallischen Phasen ist häufig die Triebkraft zur Reduktion der Metallkationen. In den Systemen von Co-Sb, Co-Sn und Ir-Sb konnte bisher keine Feststoffbildung beobachtet werden.

In this study we applied ultra-short laser pulses on a biological sample (Arabidopsis), in order to cut it precisely in a square pattern and subsequently use it for studying stress generation mechanisms. For this purpose, we utilized femtosecond laser pulses at 100 fs pulse width and 80 MHz repetition rate. We took two processing parameters into consideration such as laser power, laser exposure time which is related to the stage speed. Therefore, we were able to find the laser optimum conditions for ablation of biological tissues. The mutant and wildtype (control) obtained from laser cutting with a size of 500 µm × 500 µm were directly transferred (in-situ with laser cutting) into a microfabricated chamber containing ~500 nanoliters deionized water for measuring ion conductivity. The ion conductivity is a signature of cell-death mechanisms caused by various stresses. A light with intensity of 100 µmol was exposed to the samples for 2 hours and 20 minutes as a source of stress. A quantitative electrical analysis with high accuracy was assured by utilizing a microchamber, which enables a measurement in nanoliter volume. We measured the impedance which is reciprocal of conductivity using a lock-in amplifier and a precise current source at frequency of 130 Hz. Initially high impedance of mutant sample tended to drop within 2 hours and finally approached the constant value which signified that the cell death mechanism was complete. However, the wildtype sample demonstrated approximately constant impedance (conductivity) during the experiment.

Schon seit dem 17. Jahrhundert ist bekannt, dass kolloidales Gold in wässrigen Lösungen eine rötliche Färbung hervorruft; ein Effekt der direkt aus der Nanostrukturierung des Goldes resultiert. Neben der Modifizierung optischer Eigenschaften können durch Nano- oder Mikrostrukturierung auch andere, neuartige Charakteristika hervorgerufen werden, wie bspw. an Bi3Ni nachgewiesen werden konnte: Mittels mikrowelleninduzierter, reduktiver Umsetzung in Ethylenglykol (mikrowellenunterstützter Polyol-Prozess) konnten submikroskalige Bi3Ni-Stäbchen kristallisiert werden, die in Magnetisierungsmessungen die überaus seltene Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus zeigten. Ein Quanteneffekt, der im entsprechenden Volumenmaterial nicht nachgewiesen werden kann und auf spezielle Oberflächenzustände zurückzuführen ist. Durch Nanostrukturierung können außerdem die chemischen Eigenschaften entscheidend beeinflusst werden, wie an BiRh gezeigt werden konnte. Der mikrowellenunterstützte Polyol-Prozess begünstigt hierbei die Kristallisation von pseudohexagonalen Plättchen mit 60 nm Durchmesser und 20 nm Dicke. Im Gegensatz zum Volumenmaterial zeigten diese in der industrierelevanten Semihydrierung von Acetylen zu Ethylen Bestwerte sowohl in Bezug auf den Umsatz als auch die Selektivität. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollten mithilfe des mikrowellenunterstützten Polyol-Prozesses im Rahmen der vorliegenden Dissertation nanostrukturierte, intermetallische Verbindungen des Typs M–M‘ (M = Sn, Pb, Sb, Bi; M‘ = Fe, Co, Ni, Cu, Pd, Ir, Pt) hergestellt und eingehend chemisch sowie physikalisch charakterisiert werden. Als Edukte dienten Metallsalze, die stets in Ethylenglykol als primäres Lösungs- und Reduktionsmittel umgesetzt wurden. Das Polyol nimmt zusätzlich als oberflächenaktive Substanz Einfluss auf Partikelgröße und -gestalt. Zur Optimierung der Synthesen und um möglichst viele Phasen zugänglich zu machen, wurden Art und Konzentration der Metallsalze, pH-Wert, Reaktionstemperatur und -zeit variiert sowie die Zugabe von Oleylamin und/oder Ölsäure getestet. Oleylamin und Ölsäure sind ihrerseits oberflächenaktive Substanzen, wobei erstere zugleich reduktiv wirken kann. Die methodeninhärente Nanostrukturierung der Produkte führte teilweise zu bemerkenswerten Effekten in der Phasenbildung sowie Beeinflussung der chemischen Eigenschaften. Nahezu das komplette binäre Phasensystem Bi–Pd konnte durch Optimierung der Syntheseparameter zugänglich gemacht werden. Die Besonderheit hierbei: Neben den Raumtemperaturphasen Bi2Pd, Bi2Pd5 und BiPd3 konnte Bi12Pd31 als Hochtemperaturmodifikation sowie die neue und zugleich metastabile Modifikation gamma-Bi1.0Pd erzeugt und stabilisiert werden. Das im NiAs-Strukturtyp kristallisierende gamma-Bi1.0Pd zeigte in Magnetisierungs- und Widerstandsmessungen Supraleitung unterhalb von 3.2 K. Mittels mikrowellenunterstütztem Polyol-Prozess gelang bereits in eigenen Vorarbeiten die Synthese von nanostrukturiertem Bi3Ir. Die Verbindung ist ausschließlich in nanopartikulärer Form bei Raumtemperatur empfindlich gegenüber molekularem Sauerstoff und bildet im Zuge einer unkonventionellen oxidativen Interkalation das intermetallische Suboxid Bi3IrOx. Dieses Verhalten ist verknüpft mit einer amorphen Hülle um die Bi3Ir-Nanopartikel, da diese zur Aktivierung des molekularen Sauerstoffs benötigt wird. Unter Einsatz von Reduktionsmitteln — z.B. Wasserstoff, Superhydrid®, Hydrazin — ist der Oxidationsprozess für x < 2 vollständig reversibel. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Erkenntnisse über Bi3Ir und Bi3IrOx vertieft werden: Bi3IrOx konnte als erster Sauerstoffionenleiter bei Raumtemperatur klassifiziert werden, der darüber hinaus metallisch ist. Dies gelang mittels Röntgen- und Elektronenbeugung, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, quantenchemischen Rechnungen, und Experimenten zur Reaktionskinetik. Mit 84 meV ist die Aktivierungsenergie für die Ionenleitung um eine Größenordnung kleiner als in allen konventionellen Sauerstoffionenleitern. Der Diffusionskoeffizient beträgt für 25 °C 1.2·10–22 m2s–1, was in Anbetracht der 10–19 m2s–1 des Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxids (häufig genutztes Referenzmaterial) bei 150 °C wenig erscheint, aber eben schon für Raumtemperatur gilt. Durch den mikrowellenunterstützten Polyol-Prozess konnten erstmals phasenreine, nanostrukturierte Proben von PbPd3, Pd20Sb7, Pd8Sb3, PdSb, Ni5Sb2, und Pd13Sn9 synthetisiert werden sowie alternative Syntheserouten für weitere Phasen (alpha-/beta-/gamma-Bi2Pt, BiPt, NiSb, beta-Ni3Sn2, Pd2Sn, PdSn, Pt3Sn, PtSn, PtPb) ermittelt werden, wobei mehrfach die Bildung von Hochtemperaturphasen beobachtet wurde. Weiterhin konnten einige Grenzen der Methode aufgezeigt werden: Während blei- und bismutreiche Phasen prinzipiell einfach kristallisiert werden können, sind antimon- und zinnreiche Verbindungen mit der Methode kaum erreichbar. Außerdem zeigte sich, dass in den meisten Phasensystemen nur bestimmte Verbindungen angesteuert werden können; die Bildung der intermetallischen Phasen ist häufig die Triebkraft zur Reduktion der Metallkationen. In den Systemen von Co-Sb, Co-Sn und Ir-Sb konnte bisher keine Feststoffbildung beobachtet werden.

Strukturella batterier är multifunktionella; de tillhandahåller lagring av elektrokemisk energi samtidigt som de bidrar med en lastbärande funktion. Tillsammans möjliggör detta att batteriet kan integreras i karossen hos ett elektriskt fordon eller apparat. Denna multifunktionalitet möjliggör således en avsevärd reducering i fordonets vikt. Kompositmaterialet är förstärkt av kolfiberelektroder, innesluten i en elektrolytstruktur. För att förverkliga detta koncept måste batteriets elektrolyt kunna motstå mekanisk belastning, samtidigt som den transporterar joner mellan batteriets elektroder. Denna studie syftar till att bygga vidare på konceptet av fas-separerade polymerelektrolyter, skapade från polymerisationsinducerad fasseparation via termisk härdning, vilket är en teknik utvecklad av Schneider et al. och Ihrner et al. Vidare undersöks effekten av att dels använda en elektrolytlösning baserad på EC:PC, men även att inkorporera tioler till polymernätverket. Tvärbindningsmolekylerna som användes i denna studie inkluderade trimetylolpropan tris(3-merkaptopropionat) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-merkaptopropionat) (4PER), och dipentaerythritol hexakis-(3-merkaptopropionat) (6DPER). Dessa skiljer sig i antal funktionella tiolgrupper. Konduktivitet, termo-mekanisk prestanda och strukturberoende egenskaper undersöktes genom tre laborativa faser. Den första fasen behandlade inverkan på elektrolytsystemet av ändrat lösningsmedel, tiol-funktionalitet samt tiolgruppförhållandet gentemot allyl gruppen på den primära monomeren. Sampolymeren innehållandes 6DPER uppvisade bäst multifunktionalitet, varpå denna utvecklades vidare i fas två där en optimal sammansättning fastställdes som bestod utav 45 viktprocent jonlösning. I den slutliga fasen konstruerades en halv-cell baserat på den tidigare optimerade elektrolytkompositionen; den uppmätta kapaciteten visar tydlig förbättring jämfört med tidigare forskning. Resultatet som erhölls i denna studie bidrar till förståendet av strukturella batteri-elektrolyter samt den forskning som en dag kan komma att förverkliga strukturella batterier och dess tillämpningskrav. / Structural batteries are multifunctional; providing electrochemical energy storage synergistically with a load-bearing function that enables their integration into the body panels of electric devices and vehicles. Thus, massless energy can be achieved. As a composite material, it is composed of reinforcing carbon fibre electrodes embedded in an electrolyte matrix. To realize this concept, the electrolyte must simultaneously transfer mechanical load and transport ions between electrodes. The following study builds on a phase-separated polymer electrolyte, created using polymerization-induced phase separation via thermal curing, formulated by Schneider et al. and Ihrner et al.. The impact of the incorporation of thiols for copolymerization and as cross-linking agents for the polymer network was researched along with use of an EC:PC-based solvent. The three thiols studied were: trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate) (4PER), and dipentaerythritol hexakis-(3-mercaptopropionate) (6DPER). These differed in regard to the amount of thiol functional groups present. Ionic conductivity, thermo-mechanical performance and structure-property relationships were studied across 3 laboratory phases. The first phase concerned the effect of thiol-functionality, the thiol functional group ratio relative to the allyl group present in the primary monomer, and the solvent interaction. 6DPER was concluded to be the most promising cross-linking agent. During the second phase, the effect of electrolyte content was evaluated with an optimum of 45 weight% determined. The third phase concluded the study, wherein a half-cell was assembled with the optimized electrolyte formulation showing improved capacity relative to previous studies. The results developed here contribute to the understanding of structural battery electrolyte systems and their continued research to meet application demands.

This work is devoted to studying of electric properties, chemical stability and features of disordering in a crystal structure of the phases La28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x (x=0,85; 1,01; 1,17; 1,33) and Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x (x = 0,92; 1,12; 1,33; 1,55) with cubic structure of defective double fluorite with an incomplete oxygen sublattice. Phases are received by solid-state ceramic technology. Using X-ray difractiion method phase composition is established, structural parameters and presumable phase composition taking into account shift of parameters are determined. Measurements of temperature dependence of conductivity are taken by method of impedance spectroscopy at a variation of temperature, partial pressure of oxygen pO2 and water vapors pH2O. Activation energy calculated of mixed hole, oxygen-ion conductivity and proton conductivity is calculated. Dependences of total ionic transport numbers t (ion) on pO2 for La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х are calculated from experimental isotherms of conductivity. Ion transport number t (ion) for Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x are measured by the EMF method, the type of the dominating charge carriers is defined. Chemical stability of ceramics La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х to hydrolytic decomposition and its interactions with acid gases were estimated increasing of grain boundary resistance after the cycle "hydration/dehydration", and also by results of X-ray phase analysis, thermogravimetric analysis and research of surfaces of the samples by of the optical and scanning electronic microscopy methods. Water uptake XH2O and extent of filling of structural vacancies of the phases La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х are defined by the thermogravimetric analysis the 2-1,5kh and, hydration enthalpies ΔНгидр are calculated. An influence of pO2 and pH2O on loss of weight of Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x samples testifies to susceptibility of the phases to oxidation. / Данная работа посвящена изучению электрических свойств, химической устойчивости и особенностей разупорядочения в кристаллической решетке фаз La28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x (х=0,85; 1,01; 1,17; 1,33) и Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x (х = 0,92; 1,12; 1,33; 1,55), обладающих кубической структурой дефектного двойного флюорита с некомплектной кислородной подрешеткой. Фазы получены твердофазным синтезом по керамической технологии, методом РФА установлен фазовый состав, определены параметры кристаллической решетки и предположительный фазовый состав с учетом сдвига параметров. Проведены измерения температурной зависимости проводимости методом импедансной спектроскопии при вариации температуры, парциального давления кислорода Ро2 и паров воды Рн2о. Рассчитаны энергии активации смешанной дырочно-кислородной проводимости и протонной проводимости. Из экспериментальных изотерм проводимости La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х рассчитаны зависимости суммарных ионных чисел переноса t(ион) от Ро2. Для Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x t(ион) измерены методом ЭДС, определен тип доминирующих переносчиков заряда. Проведена оценка устойчивости керамики La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х к гидролизному разложению и взаимодействию с кислотными газами по приросту зернограничного сопротивления после цикла «гидратация/дегидратация», а также по результатам рентгенофазового анализа, термогравиметрического анализа и исследованием поверхностей образцов методами оптической и сканирующей электронной микроскопии. С помощью термогравиметрического анализа определена степень гидратации Хн2о фаз La28-хW4+хO54+1,5х[VO]2-1,5х и степень заполнения структурных вакансий, рассчитаны энтальпии гидратации ΔНгидр. Влияние Ро2 и Рн2о на потерю массы образцами Pr28-xW4+xO54+1,5x[VО]2-1,5x свидетельствует о подверженности фаз окислению.

In this thesis, the focus is on studying BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors due to that they represent very promising proton conductors to be used for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (ITSOFCs). Here, dense BaZr0.5Ce0.3Y0.2O3-δ (BZCY532) ceramics were selected as the major studied materials. These ceramics were prepared by different sintering methods and doping strategies. Based on achieved results, the thesis work can simply be divided into the following parts: 1) An improved synthesis method, which included a water-based milling procedure followed by a freeze-drying post-processing, was presented. A lowered calcination and sintering temperature for a Hf0.7Y0.3O2-δ (YSH) compound was achieved. The value of the relative density in this work was higher than previously reported data. It is also concluded that this improved method can be used for mass-production of ceramics. 2) As the solid-state reactive sintering (SSRS) represent a cost-effective sintering method, the sintering behaviors of proton conductors BaZrxCe0.8-xLn0.2O3-δ (x = 0.8, 0.5, 0.1; Ln = Y, Sm, Gd, Dy) during the SSRS process were investigated. According to the obtained results, it was found that the sintering temperature will decrease, when the Ce content increases from 0 (BZCLn802) to 0.3 (BZCLn532) and 0.7 (BZCLn172). Moreover, the radii of the dopant ions similar to the radii of Zr4+ or Ce4+ ions show a better sinterability. This means that it is possible to obtain dense ceramics at a lower temperature. Moreover, the conductivities of dense BZCLn532 ceramics were determined. The conductivity data indicate that dense BZCY532 ceramics are good candidates as either oxygen ion conductors or proton conductors used for ITSOFCs. 3) The effect of NiO on the sintering behaviors, morphologies and conductivities of BZCY532 based electrolytes were systematically investigated. According to the achieved results, it can be concluded that the dense BZCY532B ceramics (NiO was added during ball-milling before a powder mixture calcination) show an enhanced oxygen and proton conductivity. Also, that BZCY532A (NiO was added after a powder mixture calcination) and BZCY532N (No NiO was added in the whole preparation procedures) showed lower values. In addition, dense BZCY532B and BZCY532N ceramics showed only small electronic conductivities, when the testing temperature was lower than 800 ℃. However, the BZCY532A ceramics revealed an obvious electronic conduction, when they were tested in the range of 600 ℃ to 800 ℃. Therefore, it is preferable to add the NiO powder during the BZCY532 powder preparation, which can lower the sintering temperature and also increase the conductivity. 4) Dense BZCY532 ceramics were successfully prepared by using the Spark Plasma Sintering (SPS) method at a temperature of 1350 ℃ with a holding time of 5 min. It was found that a lower sintering temperature (&lt; 1400 ℃) and a very fast cooling rate (&gt; 200 ℃/min) are two key parameters to prepare dense BZCY532 ceramics. These results confirm that the SPS technique represents a feasible and cost-effective sintering method to prepare dense Ce-containing BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors. 5) Finally, a preliminary study for preparation of Ce0.8Sm0.2O2-δ (SDC) and BZCY532 basedcomposite electrolytes was carried out. The novel SDC-BZCY532 based composite electrolytes were prepared by using the powder mixing and co-sintering method. The sintering behaviors, morphologies and ionic conductivities of the composite electrolytes were investigated. The obtained results show that the composite electrolyte with a composition of 60SDC-40BZCY532 has the highest conductivity. In contrast, the composite electrolyte with a composition of 40SDC-60BZCY532 shows the lowest conductivity. In summary, the results show that BaZrO3-BaCeO3 based proton-conducting ceramic materials represent very promising materials for future ITSOFCs electrolyte applications. / <p>QC 20150423</p>