НОВЫЕ ЛИТИЙ- И МАГНИЙ-ДОПИРОВАННЫЕ СЛОЖНЫЕ ОКСИДЫ НА ОСНОВЕ Gd₂Zr₂O₇ СО СТРУКТУРОЙ ПИРОХЛОРА

Казанцева А.Ф.⁽¹⁾, Генба Е.С.⁽¹⁾, Буйначев С.В.⁽²⁾, Машковцев М.А.⁽²⁾,
Тарасова Н.А.^(1,2), Анимица И.Е.^(1,2)

⁽¹⁾ Уральский федеральный университет

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19

⁽²⁾ Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, д. 20

Материалы на основе сложных оксидов, обладающие высокими значениями кислородной проводимости, привлекают большое внимание в аспекте их потенциального применения в различных электрохимических устройствах. На протяжении последних десятилетий с точки зрения ионного переноса исследованы материалы с различными структурными типами – перовскита, браунмиллерита, шпинели, пирохлора и других. Структура пирохлора описывается общей формулой A₂B₂O₇, где A³⁺ – это ион редкоземельного элемента, а B⁴⁺ – ион переходного металла. Структурой пирохлора описывается цирконат гадолиния Gd₂Zr₂O₇, в котором имеются кристаллографически незанятые анионные позиции – вакансии кислорода (разупорядочение по антифренкелю O_o^× ↔︎V_o¨ + O_i^••). Наличие таких кислородных дефектов в структуре обеспечивает быстрый кислородный транспорт. Кроме того, способность к сохранению катионного разупорядочения позволяет структуре цирконата гадолиния выдерживать высокие дозы радиации, под действием которой она может претерпевать структурный фазовый переход из пирохлора в структуру дефектного флюорита, не подвергаясь аморфизации. Совокупность таких характеристик, как высокая кислородно-ионная проводимость, а также радиационная стойкость, позволяет рассматривать материалы на основе цирконата гадолиния как потенциальные датчики на содержания кислорода в радиационно-активных расплавах солей LiCl – xLi₂O.

Ранее было показана принципиальная возможность допирования Gd₂Zr₂O₇ литием и магнием в подрешетках гадолиния и циркония. Было показано, что наибольшее увеличение кислородно-ионной проводимости достигается при введении 0,1 моль лития. При этом допирование литием позволило получить однофазные соединения как при допировании подрешетки гадолиния, так и циркония. Магний-допированные образцы были получены только при допировании гадолинием. Введение малых концентраций магния (0.02 – 0.03 моль) позволило повысить электропроводность и увеличить прочность керамических образцов. В настоящей работе было осуществлено содопирование – одновременное введение лития и магния в матрицу базового образца Gd₂Zr₂O₇. Введение лития преследовало цели как повышения электропроводности, так и предотвращения внедрения «избыточного» лития из расплава солей в подрешетку цирконата гадолиния. Введение магния преследовало цели как повышения электропроводности, так и повышения прочности керамики. При этом магний в структуре сложного оксида замещает позиции гадолиния, и не является примесным компонентом.