Изучение фазовой эволюции и микроструктурных особенностей при моделировании условий эксплуатации топливных элементов на основе соединений феррита лантана — стронция

   Интерес к керамикам на основе феррита лантана — стронция, обладающих смешанной электронной и кислород-ионной проводимостью, а также хорошей стабильностью, обусловлен большим потенциалом применения в качестве электродных материалов для твердооксидных топливных элементов. В работе представлены результаты оценки изменений морфологии и фазового состава керамик на основе соединений феррита лантана — стронция, полученных методом твердофазного синтеза при моделировании условий, максимально приближенных к условиям их эксплуатации в режиме повышенных температур. Основной упор в исследованиях сделан на изменении соотношения фазового состава керамик при длительном термическом воздействии, моделирующем процессы термического старения, и, как следствие, процессы окисления, возникающие при длительных циклических испытаниях. В ходе проведенных исследований было определено, что наличие в составе керамик фазы Sr₂Fe₂O₅ приводит к увеличению устойчивости к коррозионным процессам окисления при высокотемпературной коррозии. Согласно полученным данным оценки изменения электрохимических характеристик керамик в зависимости от времени выдержки при моделировании высокотемпературной деградации, было установлено, что наиболее значимые снижения наблюдаются после 400 часов последовательных испытаний при температуре 500–600 °С и после 250–300 часов при температурах выше 700 °С. При этом снижение величины удельной мощности обусловлено формированием оксидных включений в керамиках, возникающих в результате разложения фазы (La_0,3Sr_0,7)FeO₄ в составе керамик. В свою очередь, наличие фазы Sr₂Fe₂O₅ приводит к формированию устойчивой к окислению структуры, приводящей к менее выраженным изменениям удельной мощности при измерении параметров электрохимических характеристик.

1. Jose, J. K. Multiferroics for Spintronic Applications / J. K. Jose, R. Balakrishnan. – DOI: 10.1002/9783527824229.ch10. – Direct text // Nanotechnology in Electronics : Materials, Properties, Devices. – 2023. – P. 301–316.

2. Study of the crystal structure, thermal stability and conductivity of Sr (V0.5Mo0.5) O3+δ as SOFC material / A. Aguadero, C. De La Calle, D. Pérez‐Coll, J. A. Alonso. – DOI: 10.1002/fuce.201000070. – Direct text // Fuel Cells. – 2011. – Vol. 11, Issue 1. – P. 44–50.

3. Weber, A. Materials and concepts for solid oxide fuel cells (SOFCs) in stationary and mobile applications / A. Weber, E. Ivers-Tiffée. – DOI: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.024. – Direct text //Journal of power sources. – 2004. – Vol. 127, Issue 1–2. – P. 273–283.

4. Das, T. Polaron size and shape effects on oxygen vacancy interactions in lanthanum strontium ferrite / T. Das, J. D. Nicholas, Y. Qi. – Text : electronic // Journal of Materials Chemistry A. – 2017. – Vol. 5, Issue 47. – doi: 10.1039/c7ta06948k.

5. Phase formation and magnetic properties of M-type lanthanum substituted strontium ferrites / C. Qin, R. Liu, Y. Sun [et al.]. – Text : electronic // Ceramics International. – 2023. – Vol. 49, Issue 19. – doi: 10.1016/j.ceramint.2023.07.171.

6. Exsolution of Fe and SrO Nanorods and Nanoparticles from Lanthanum Strontium Ferrite La0.6Sr0.4FeO3−δ Materials by Hydrogen Reduction / T. Ramona, G. Martin, H. Marc [et al.]. – Text : electronic // The Journal of Physical Chemistry C. – 2015. – Vol. 119, Issue 38. – doi: 10.1021/acs.jpcc.5b06014

7. Das, T. Composition, crystallography, and oxygen vacancy ordering impacts on the oxygen ion conductivity of lanthanum strontium ferrite / T. Das, J. D. Nicholas, Y. Qi. – Text : electronic // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2020. – Vol. 22, Issue 17. – doi: 10.1039/d0cp00206b.

8. Chavan, S. V. Preparation, properties, and reactivity of lanthanum strontium ferrite as an intermediate temperature SOFC cathode / S. V. Chavan, R. N. Singh. – Text : electronic // Journal of Materials Science. – 2013. – Vol. 48. – doi: 10.1007/s10853-013-7456-9.

9. Synthesis and electrical properties of strontium-doped lanthanum ferrite with perovskite-type structure / J. A. E. Paiva, P. C. C. Daza, F. A. Rodrigues [et al.]. – Text : electronic // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, Issue 11. – doi: 10.1016/j.ceramint.2020.04.212.

10. Lanthanum strontium cobaltite-infiltrated lanthanum strontium cobalt ferrite cathodes fabricated by inkjet printing for high-performance solid oxide fuel cells / M. Kim, D. H. Kim, G. D. Han [et al.]. – Text : electronic // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 843. – doi: 10.1016/j.jallcom.2020.155806.

11. Gross, M. D. A study of thermal stability and methane tolerance of Cubased SOFC anodes with electrodeposited Co / M. D. Gross, J. M. Vohs, R. J. Gorte. – Text : electronic // Electrochimica Acta. – 2007. – Vol. 52, Issue 5. – doi: 10.1016/j.electacta.2006.08.005.

12. Application of a negative thermal expansion oxide in SOFC cathode / F. Lu, M. Yang, Y. Shi [et al.]. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.08.225. – Direct text // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47, Issue 1. – P. 1095–1100.

13. Thermal stability and oxidation resistance of TiCrAlYO coatings on SS430 for solid oxide fuel cell interconnect applications / H. Chen, J. A. Lucas, W. Priyantha [et al.]. – Text : electronic // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202, Issue 19. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2008.04.059.

14. Garai, M. Mica (KMg₃AlSi₃O₁₀F₂) based glass-ceramic composite sealant with thermal stability for SOFC application / M. Garai, S. P. Singh, B. Karmakar. – Text : electronic // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 45. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.10.252.

15. Properties of Perovskite-like Lanthanum Strontium Ferrite Ceramics with Variation in Lanthanum Concentration / D. B. Borgekov, A. L. Kozlovskiy, R. I. Shakirzyanov [et al.]. – Text : electronic // Crystals. – 2022. – Vol. 12, Issue 12. – doi: 10.3390/cryst12121792.