Высокотемпературная кислородная нестехиометрия и электропроводность слоистых никелатов Ln2–xSrxNiO4–δ (Ln – La, Pr, Nd; х = 1,0 –1,6)

  • Екатерина Степановна Кравченко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск
  • Кирилл Владимирович Захарчук СИСЕКО – Авейровский институт материалов, университет Авейро, 3810-193, г. Авейро
  • Владимир Васильевич Паньков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск
  • Алексей Александрович Яремченко СИСЕКО – Авейровский институт материалов, университет Авейро, 3810-193, г. Авейро

Аннотация

Высокотемпературная кислородная нестехиометрия и электропроводность никелатов Ln2 – xSrxNiO4 – δ (Ln – La, Pr, Nd; х = 1,0 –1,6) были исследованы в целях потенциального применения данных материалов в качестве катодов твердооксидных топливных элементов. Установлено, что при атмосферном давлении кислорода все изученные никелаты сохраняют тетрагональную структуру типа K2NiF4 до 1000 °С минимум и являются дефицитными по кислороду при температурах выше 500 °С. Кислородная нестехиометрия увеличивается с ростом температуры и повышением концентрации стронция в ряду Ln2 – xSrxNiO4 – δ. В окислительных условиях при температурах 500–1000 °С данные никелаты обладают металлической проводимостью p-типа. Наибольшая электропроводность наблюдалась для составов с содержанием стронция х = 1,2 для каждой из систем (260 – 400 См ⋅ см–1 в зависимости от редкоземельного элемента). Неодимсодержащие никелаты характеризуются наиболее высокой концентрацией кислородных вакансий во всем исследованном интервале составов.

Биографии авторов

Екатерина Степановна Кравченко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

аспирантка кафедры физической химии химического факультета

Кирилл Владимирович Захарчук, СИСЕКО – Авейровский институт материалов, университет Авейро, 3810-193, г. Авейро

научный сотрудник факультета материаловедения и керамики

Владимир Васильевич Паньков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

доктор химических наук, профессор; заведующий кафедрой физической химии химического факультета

Алексей Александрович Яремченко, СИСЕКО – Авейровский институт материалов, университет Авейро, 3810-193, г. Авейро

кандидат химических наук; старший научный сотрудник факультета материаловедения и керамики

Литература

  1. Müller K. A., Bednorz J. G. The discovery of a class of high-temperature superconductors. Science. 1987. Vol. 237, No. 4819. Р. 1133–1139. DOI: 10.1126/science.237.4819.1133.
  2. Bourges P., Sidis Y., Braden M., et al. High-Energy Spin Dynamics in La1.69 Sr0.31 NiO4. Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90, No. 14. Article ID 147202. DOI: 10.1103/PhysRevLett.90.147202.
  3. Freeman P. G., Boothroyd A. T., Prabhakaran D., et al. Stripe order and magnetic transitions in La 2 − x Srx NiO4. Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70, No. 2. Article ID 024413.
  4. Kakol Z., Spałek J., Honig J. M. Superconductivity and antiferromagnetism in La 2 − x Srx NiO4. J. Solid State Chem. 1989. Vol. 79, No. 2. Р. 288–292. DOI: 10.1016/0022-4596(89)90277-6.
  5. Sreedhar K., Honig J. M. Low-Temperature Electron Transport Properties of La 2 – x Srx NiO4 with 0.5 ≤ x ≤ 1.3. J. Solid State Chem. 1994. Vol. 111, No. 1. Р. 147–150. DOI: 10.1006/jssc.1994.1210.
  6. Al Daroukh M., Vashook V. V., Ullmann H., et al. Oxides of the AMO3 and A2 MO4-type: structural stability, electrical conductivity and thermal expansion. Solid State Ion. 2003. Vol. 158, No. 1/2. Р. 141–150. DOI: 10.1016/S0167-2738(02)00773-7.
  7. Kharton V. V., Viskup A. P., Kovalevsky A. V., et al. Ionic transport in oxygen-hyperstoichiometric phases with K2 NiF4-type structure. Solid State Ion. 2001. Vol. 143, No. 3/4. Р. 337–353. DOI: 10.1016/S0167-2738(01)00876-1.
  8. Vashook V. V., Trofimenko N. E., Ullmann H., et al. Oxygen nonstoichiometry and some transport properties of La Sr NiO4 − δ nickelate. Solid State Ion. 2000. Vol. 131, No. 3. Р. 329–336. DOI: 10.1016/S0167-2738(00)00571-3.
  9. Kharton V., Viskup A., Naumovich E., et al. Oxygen ion transport in La 2 NiO4-based ceramics. J. Mat. Chem. 1999. Vol. 9, No. 10. P. 2623–2629. DOI: 10.1039/A903276B.
  10. Vashook V. V., Yushkevich I. I., Kokhanovsky L. V., et al. Composition and conductivity of some nickelates. Solid State Ion. 1999. Vol. 119, No. 1/4. Р. 23–30. DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00478-0.
  11. Kravchenko E., Khalyavin D., Zakharchuk K., et al. High-temperature characterization of oxygen-deficient K 2 NiF4-type Nd 2 − x Srx NiO4 − δ (x = 1.0 –1.6) for potential SOFC/SOEC applications. J. Mat. Chem. A. 2015. Vol. 3, No. 47. Р. 23852–23863. DOI: 10.1039/C5TA06779K.
  12. Aguadero A., Escudero M. J., Perez M., et al. Effect of Sr content on the crystal structure and electrical properties of the system La 2 − x Srx NiO4 + δ (0 ≤ x ≤ 1). Dalton Trans. 2006. Vol. 36. P. 4377– 4383. DOI: 10.1039/B606316K.
  13. Flura A., Dru S., Nicollet C., et al. Chemical and structural changes in Ln 2 NiO4 + δ (Ln = La, Pr or Nd) lanthanide nickelates as a function of oxygen partial pressure at high temperature. J. Solid State Chem. 2015. Vol. 228. P. 189 –198. DOI: 10.1016/j.jssc.2015.04.029.
  14. Kravchenko E., Zakharchuk K., Viskup A., et al. Impact of oxygen deficiency on electrochemical performance of K 2 NiF4-type (La1 – x Srx )2 NiO4 – δ oxygen electrodes. ChemSusChem. 2017. Vol. 10. P. 600 –611. DOI: 10.1002/cssc.201601340.
  15. Atkinson A., Barnett S., Gorte R. J., et al. Advanced anodes for high-temperature fuel cells. Nat. Mater. 2004. Vol. 3, No. 1. P. 17–27. DOI: 10.1038/nmat1040.
Опубликован
2017-11-29
Ключевые слова: никелат, твердооксидные топливные элементы, кислородный электрод, кислородная нестехиометрия, электропроводность
Как цитировать
Кравченко, Е. С., Захарчук, К. В., Паньков, В. В., & Яремченко, А. А. (2017). Высокотемпературная кислородная нестехиометрия и электропроводность слоистых никелатов Ln2–xSrxNiO4–δ (Ln – La, Pr, Nd; х = 1,0 –1,6). Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 1, 43-49. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/chemistry/article/view/1156