Title
Svojstva visokotemperaturnih protonskih provodnika na bazi barijum-cerijum-indijum-oksida
Creator
Malešević, Aleksandar S., 1984-
CONOR:
115606281
Copyright date
2024
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 23.02.2024.
Other responsibilities
Academic Expertise
Prirodno-matematičke nauke
Academic Title
-
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Hemijski fakultet
Alternative title
Properties of high-temperature proton conductors based on barium cerium indium oxide
Publisher
[A. Malešević]
Format
VIII, 81 list
description
Hemija - Opšta i neorganska hemija / Chemistry - General and Inorganic Chemistry
Abstract (sr)
U okviru ove doktorske disertacije je ispitan uticaj koncentracije dopanta na svojstva
BaCe1−xInxO3–δ (BCI, x = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35 i 0,40) kao protonskog provodnika.
Struktura i fazni sastav sintetisanih prahova dobijenih metodom samosagorevanja su utvrđeni
rendgenskom difrakcionom analizom, pri čemu je pokazano da prahovi sa ≥ 25 % (mol.) indijuma
sadrže In 2 O3 kao sekundarnu fazu. Optimizacijom postupka sinterovanja je utvrđeno da je termički
tretman na 1300 °C tokom 5 h optimalan za dobijanje guste neporozne keramike (98 % teorijske
vrednosti). Mikrostruktura je analizirana skanirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM).
Povećanje temperature sinterovanja dovodi do nastanka većih zrna, dok povećanje koncentracije
indijuma do 25 % (mol.) dovodi do porasta zrna, a iznad te koncentracije nema daljeg uticaja na
veličinu zrna. Izlaganjem sinterovanog uzorka atmosferi CO2 tokom 5 h na 700 °C je pokazano da
indijum u potpunosti suzbija degradaciju BaCeO3 već u koncentraciji od 15 % (mol.). Električnim
merenjima u atmosferi vlažnog vodonika je utvrđeno da maksimalna ukupna provodljivost iznosi
5 × 10−3 S cm –1 na 700 °C za uzorak BaCe0,75 In 0,25 O3–δ (BCI25), zbog čega je ovaj materijal odabran
kao najbolji kandidat za elektrolit gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Dobijena gorivna
ćelija Ni-BaCe0,75 In0,25 O3−δ║BaCe0,75 In0,25 O3−δ║LSCF-BaCe0,75 In 0,25 O3−δ (LSCF = lantan-stroncijum-
kobalt-gvožđe-oksid, La0,8 Sr0,2 Co0,8 Fe0,2 O3 ) je pokazala maksimalnu gustinu izlazne snage od 264 mW
cm –2 na 700 °C, koristeći vlažan vodonik kao gorivo. Ovakav rezultat ukazuje na stabilnost i
funkcionalnost BCI25 kao elektrolita za gorivne ćelije.
Ispitivanjem električnih svojstava BCI25 u atmosferama različitog sastava je uočeno da dolazi
do brze promene impedanse prilikom promene parcijalnog pritiska vodene pare, što čini ovaj materijal
pogodnim za primenu kao visokotemperaturnog senzora vodene pare. Senzorska svojstva BCI25 u
vidu poroznog filma i sinterovane keramike su ispitana u temperaturnom opsegu 250 °C – 700 °C.
Film debljine 30 μm, napravljen od praha kalcinisanog na 1050 °C, je pokazao osetljivost uporedivu sa
osetljivošću sinterovanog uzorka, ali sa značajno kraćim vremenom odziva i oporavka. Pokazalo se da
je najbolja osetljivost senzora na temperaturi od 500 °C. Osetljivost filma se postepeno smanjivala sa
smanjenjem parcijalnog pritiska vodene pare pH2O , ali je bila značajna i pri parcijalnom pritisku vodene
pare od 200 Pa. Pad provodljivosti je zavisio logaritamski od parcijalnog pritiska vodene pare sa
nagibom od 0,52 što je blisko tipičnoj vrednosti za protonski tip provođenja u tom temperaturnom
opsegu. Posle nekoliko ciklusa, test ponovne upotrebe je pokazao skoro nepromenjen odnos između
impedanse u suvoj i vlažnoj atmosferi (pH2O = 2,34 kPa), što je ukazalo na dobru stabilnost i osetljivost
BCI25 kao potencijalnog visokotemperaturnog senzora vodene pare.
Abstract (en)
The main goal of this doctoral dissertation was to investigate the influence of dopant
concentration on properties of BaCe1–xInxO3–δ (BCI, x = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, and
0.40) as a proton conductor. The structure and phase composition of the synthesized powder, obtained
by the auto-combustion method, were determined by the X-ray diffraction analysis. Powders
containing ≥ 25 % (mol) indium, contain In 2 O3 as a secondary phase. The optimal sintering procedure
to obtain dense nonporous (98 % of theoretical density) ceramics was determined to be 5 h at 1300 °C.
Microstructure was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Higher sintering temperature
leads to the formation of larger grains, while an increase in indium concentration up to 25 % (mol)
leads to an increase in the grain size with no further influence above that concentration. Exposure of
the sintered sample to the CO2 atmosphere for 5 h at 700 °C showed that indium completely
suppressed the degradation of BaCeO3 when its concentration reached 15 % (mol). The highest total
conductivity is around 5×10 –3 S cm–1 for BaCe0.75 In 0.25 O3–δ (BCI25) was determined by electrical
measurements in the wet hydrogen atmosphere at 700 ℃, which made this material the best choice for
the construction of the solid oxide fuel cell. The obtained fuel cell,
Ni-BaCe0.75 In0.25 O3−δ║BaCe0.75 In0.25 O3−δ║LSCF-BaCe0.75 In0.25 O3−δ, (LSCF = lanthanum strontium
cobalt iron oxide, La0,8 Sr0,2 Co0,8 Fe0,2 O3 ) exhibited a maximum output power density of 264 mW cm–2
at 700 ℃, using hydrogen as a fuel. This result is an indication of the stability and functionality of this
electrolyte and its versatility with respect to the type of fuel and performing environment.
During the investigation of the electrical characteristics of BCI25, under the atmospheres of
various compositions, it was observed that the impedance of the sample changes rapidly upon the
change in partial pressure of water vapor, which makes this material suitable for application as a high-
temperature humidity sensor. The sensing characteristics of BCI25 were investigated in the 250 °C –
700 °C temperature range in the form of porous film and sintered ceramics. The 30 μm thick film
obtained from the powder calcined at 1050 °C exhibited sensitivity comparable to that of the sintered
sample with a significantly shorter response and recovery times. The sensor showed the best
performance at 500 °C. While the sensitivity of the film gradually decreased with a decrease in partial
pressure of water vapor (pH2O), a noticeable sensitivity was still observed at pH2O of 200 Pa. Decrease
in conductivity depended logarithmically on the partial pressure of water with the slope of 0.52 that is
close to the typical value. After several cycles, the reusability test proved an almost unchanged ratio
between the impedance value in the dry and the wet Ar atmosphere (pH2O = 2.34 kPa), which implied
that BCI25, having good stability and sensitivity, is a promising high-temperature humidity sensor.
Authors Key words
protonska provodljivost; perovskit; BaCeO3 ; gorivna ćelija; senzor
Authors Key words
proton conductivity; perovskite; BaCeO3 ; fuel cell; sensors
Classification
666.3‑187:544.623(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
U okviru ove doktorske disertacije je ispitan uticaj koncentracije dopanta na svojstva
BaCe1−xInxO3–δ (BCI, x = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35 i 0,40) kao protonskog provodnika.
Struktura i fazni sastav sintetisanih prahova dobijenih metodom samosagorevanja su utvrđeni
rendgenskom difrakcionom analizom, pri čemu je pokazano da prahovi sa ≥ 25 % (mol.) indijuma
sadrže In 2 O3 kao sekundarnu fazu. Optimizacijom postupka sinterovanja je utvrđeno da je termički
tretman na 1300 °C tokom 5 h optimalan za dobijanje guste neporozne keramike (98 % teorijske
vrednosti). Mikrostruktura je analizirana skanirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM).
Povećanje temperature sinterovanja dovodi do nastanka većih zrna, dok povećanje koncentracije
indijuma do 25 % (mol.) dovodi do porasta zrna, a iznad te koncentracije nema daljeg uticaja na
veličinu zrna. Izlaganjem sinterovanog uzorka atmosferi CO2 tokom 5 h na 700 °C je pokazano da
indijum u potpunosti suzbija degradaciju BaCeO3 već u koncentraciji od 15 % (mol.). Električnim
merenjima u atmosferi vlažnog vodonika je utvrđeno da maksimalna ukupna provodljivost iznosi
5 × 10−3 S cm –1 na 700 °C za uzorak BaCe0,75 In 0,25 O3–δ (BCI25), zbog čega je ovaj materijal odabran
kao najbolji kandidat za elektrolit gorivne ćelije na bazi oksida u čvrstom stanju. Dobijena gorivna
ćelija Ni-BaCe0,75 In0,25 O3−δ║BaCe0,75 In0,25 O3−δ║LSCF-BaCe0,75 In 0,25 O3−δ (LSCF = lantan-stroncijum-
kobalt-gvožđe-oksid, La0,8 Sr0,2 Co0,8 Fe0,2 O3 ) je pokazala maksimalnu gustinu izlazne snage od 264 mW
cm –2 na 700 °C, koristeći vlažan vodonik kao gorivo. Ovakav rezultat ukazuje na stabilnost i
funkcionalnost BCI25 kao elektrolita za gorivne ćelije.
Ispitivanjem električnih svojstava BCI25 u atmosferama različitog sastava je uočeno da dolazi
do brze promene impedanse prilikom promene parcijalnog pritiska vodene pare, što čini ovaj materijal
pogodnim za primenu kao visokotemperaturnog senzora vodene pare. Senzorska svojstva BCI25 u
vidu poroznog filma i sinterovane keramike su ispitana u temperaturnom opsegu 250 °C – 700 °C.
Film debljine 30 μm, napravljen od praha kalcinisanog na 1050 °C, je pokazao osetljivost uporedivu sa
osetljivošću sinterovanog uzorka, ali sa značajno kraćim vremenom odziva i oporavka. Pokazalo se da
je najbolja osetljivost senzora na temperaturi od 500 °C. Osetljivost filma se postepeno smanjivala sa
smanjenjem parcijalnog pritiska vodene pare pH2O , ali je bila značajna i pri parcijalnom pritisku vodene
pare od 200 Pa. Pad provodljivosti je zavisio logaritamski od parcijalnog pritiska vodene pare sa
nagibom od 0,52 što je blisko tipičnoj vrednosti za protonski tip provođenja u tom temperaturnom
opsegu. Posle nekoliko ciklusa, test ponovne upotrebe je pokazao skoro nepromenjen odnos između
impedanse u suvoj i vlažnoj atmosferi (pH2O = 2,34 kPa), što je ukazalo na dobru stabilnost i osetljivost
BCI25 kao potencijalnog visokotemperaturnog senzora vodene pare.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.