سنتز و بررسي هدايت يوني نانوكامپوزيت Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9-δ-(Li،Na)2CO3 براي الكتروليت پيل سوختي اكسيد جامد دما پايين (LT-SOFC)

Synthesis and Ionic Conduction of Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9-δ - (Li,Na)2CO3 Nanocomposite as an Electrolyte for Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cell

از نقاط ضعف پيل هاي سوختي اكسيد جامد (SOFC) دماي بالاي فعال سازي هدايت يوني در الكتروليت آن ها است. يكي از روش هايي كه به منظور كاهش اين دما مورد توجه محققان قرار گرفته است، بهره گيري از دوپ هم زمان دو عنصر در اكسيد سريم(سريا) و نيز اختلاط آن با يك نوع از نمك هاي فلزي مانند كربنات ها است. در تحقيق حاضر، با دوپ دو عنصر (كلسيم و ساماريم) در اكسيد سريم، ابتدا پودر Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9 (CSDC 5) با روش احتراق نيترات - سيترات سنتز گرديد. سپس از روش پراش اشعه ايكس (XRD) براي آناليز فازي و تعيين اندازه بلورك ها و جهت بررسي مورفولوژي نمونه هاي سنتز شده پودري و زينتر شده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM) بهره گرفته شد. الگوهاي XRD نشان از تشكيل محلول جامد سرياي دوپ شده با ساماريم و كلسيم دارد. طبق نتايج حاصل از الگوي پراش اشعه ايكس در جهت (111) اندازه بلورك ها nm 19 بدست آمد. تصاوير FE-SEM نشان داد كه نانوذرات CSDC 5 كروي شكل بوده و اندازه اي در حدود nm 20 داشتند. اندازه گيري هدايت يوني تمامي نمونه ها به روش طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) در بازه دمايي ℃ 650 – 250 انجام گرفت. نتايج اين آزمون مشخص كرد كه Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9-δ از هدايت يوني برابر با S.cm-1 015/0 در دماي ℃ 650 برخوردار بوده است. با تركيب نانو پودر CSDC 5 با كربنات هاي ليتيم و سديم نانوكامپوزيت CSDC 5 – (Li،Na)2CO3 (CSDC5 – LN) سنتز و الكتروليت آن ساخته شد. الگوي XRD مربوط به نمونه كامپوزيت مشابه الگوي مربوط به سريا و CSDC 5 بوده كه احتمال آمورف بودن فاز كربنات را مطرح كرد. داده هاي آناليزهاي جرم سنجي حرارتي و حرارتي تفرقي (TG/DTA) بيان داشت كه فاز كربنات تا دماي تقريبي ℃ 730 پايدار بوده و تجزيه نشده است. تصاوير حاصل از FE-SEM مشخص نمود كه نانوذرات CSDC 5 با فاز كربنات احاطه شده اند. همچنين نمونه كامپوزيت زينتر شده داراي تخلخل و تراكم نسبي بوده است. نتايج آزمون امپدانس نمونه CSDC 5 – LN مشخص ساخت كه در بالاي دماي ℃ 500 ، هدايت يوني نمونه كامپوزيت (℃ 650 @ S.cm-1 0/073) با اختلاف فاحش 5 برابري بيشتر از هدايت يوني نمونه CSDC 5 بود. اين امر بيانگر اثر مثبت بهره گيري از فاز كربنات به علت دارا بودن هدايت يوني Na+ ، Li+ و CO_3^(2-) در محدوده دمايي گفته شده بوده و آن را به عنوان يكي از كانديداهاي الكتروليت پيل سوختي اكسيد جامد دما پايين (LT-SOFC) مطرح مي نمايد.

One of drawbacks of solid oxide fuel cells (SOFCs) is high temperature ionic conductivity of their electrolytes. Several researches have been done to find a solution to overcome the problem. One method is to incorporate co-doped cerium oxide (Ceria) with metal salts such as carbonates. In the present work، nanopowders of calcium and samarium co-doped cerium oxide of Ca0.05Sm0.2-xCe0.75O1.9-δ (CSDC 5) were prepared using citrate-nitrate auto combustion method. Phases and crystallite size of the sample were determined by X-ray diffraction (XRD). Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) was used for morphological studies. The XRD pattern showed that a single-phase solid solution of calcium and samarium co-doped ceria was obtained. The crystallite size of the particles was 19 nm in diameter as calculated from data obtained through XRD result of (111) peak. FE-SEM images depicted that synthesized CSDC 5 powders were sphere-like and approximately 20 nm in size. Also، it was shown that the sintered CSDC 5 had a dense microstructure. The ionic conductivities of all samples were determined by AC impedance spectroscopy (EIS) in temperature range of 250 – 650ºC. EIS results demonstrated that Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9- had total conductivity of 0.015 S.cm-1 at 650 ºC. CSDC 5 – (Li،Na)2CO3 (CSDC 5 – LN) nanocomposite electrolyte was synthesized by mixing the lithium and sodium carbonates with CSDC 5 nanopowders. XRD pattern of the composite sample was similar to the patterns of ceria and CSDC 5 which indicates that the carbonate phase was probably amorphous. TG/DTA thermal analysis results demonstrated that the carbonate phase was remained and undecomposed up to temperature of 730ºC. FE-SEM images of the composite powders depicted that CSDC 5 powders were covered by carbonate phase. In addition، the sintered composite showed a porous microstructure using FE-SEM. EIS data proved that above the temperature of 500ºC، total ionic conductivity of CSDC 5 – LN was 0.073 S.cm-1 which was nearly 5 times higher than that of CSDC 5. This implied that using carbonate phase would increase the total ionic conductivity due to multiple ions of Na+، Li+، and CO2-3 would be involved in ionic conduction at the mentioned temperature range. This makes it a serious candidate as electrolyte material for low temperature solid oxide fuel cell (LT-SOFC).