СИНТЕЗ, ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРЕМНИЙ-ЗАМЕЩЕННОГО СКАНДАТА-АЛЮМИНАТА БАРИЯ С БЛОЧНО-СЛОЕВЫМ ТИПОМ СТРУКТУРЫ

Селищев М.М., Кочетова Н.А., Корона Д.В.

Уральский федеральный университет

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

В рамках развития водородной энергетики важным научным направлением является создание новых функциональных материалов для твердооксидных топливных элементов, в частности, материалов с протонной проводимостью, которые могут использоваться в качестве протонпроводящих мембран.

Сложный оксид состава Вa₇Sc₆Аl₂О₁₉ относится к классу гексагональных перовскитов и состоит из структурных блоков β-Ba₂ScAlO₅ и Ba₃Sc₄O₉. Наличие структурных вакансий кислорода обеспечивает возможность взаимодействия с парами воды, что приводит к проявлению протонной проводимости. Оптимизация структуры путем гетеровалентного замещения катионных позиций может приводить к улучшению электротранспортных свойств.

В данной работе изучен твердый раствор Ba₇Sc₆Al_1.9Si_0.1O_19.05, то есть часть позиций алюминия была замещена на неметаллический элемент – кремний. Такое замещение называют оксоанионным, поскольку полиэдры [AlO₄] в структуре замещаются на оксоанионные группировки (SiO₄) с ковалентным типом связи.

Образец был получен по растворной технологии с использованием модифицированного метода Печини. Рабочий раствор содержал нитраты Ba²⁺, Sc³⁺, Al³⁺, а также лимонную кислоту и глицерин. Кремний вводили в виде ультрадисперсного порошка SiO₂ на этапе гелеобразования. Дополнительный отжиг после пиролиза проводили при температурах 1250 и 1600 ℃.

Рентгенофазовый анализ (Shimadzu, Япония) показал, что образец описывается гексагональной структурой с параметрами элементарной ячейки: a=5.801 Å, с=35.256 Å. В небольших количествах обнаружена примесная фаза ꞵ-Ba₂ScAlO₅.

Термический анализ (Netzsch, Германия) предварительно гидратированного образца показал, что основной выход воды наблюдается в интервале температур 300 – 600 ℃. Степень гидратации составляет 0.77 моль, что ниже по сравнению с Вa₇Sc₆Аl₂О₁₉ и связано с уменьшением параметров элементарной ячейки.

Исследование электрических свойств проводили в интервале 300 – 900 ℃ методом электрохимического импеданса (Elins Z–1000P (ООО «Элинс», Россия) в атмосферах сухого (рН₂О = 3·10^-5 атм.) и влажного (рН₂О = 2·10^-2 атм.) воздуха и азота. Установлено, что на воздухе образец является смешанным ионно-дырочным проводником, во влажной атмосфере ионный вклад обусловлен переносом ионов кислорода и протонов, в средних температурах протонная проводимость доминирует. Значения электропроводности ниже, чем для образца Вa₇Sc₆Аl₂О₁₉.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда и правительства Свердловской области № 24-13-20026.