Синтез наноразмерного твердого электролита Pr1–ySryF3–y и исследование влияния термообработки на ионную проводимость фторидной нанокерамики

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Нанокерамику твердого электролита Pr1–ySryF3–y (y = 0.03, пр. гр. P3c1) получали методом высокоэнергетического механодиспергирования выращенных из расплава кристаллов с последующим холодным прессованием. Фазовый состав, микроструктура, морфология и электрофизические свойства нанокерамики изучены методами рентгенофазового анализа, электронной микроскопии и импедансной спектроскопии. Значение проводимости синтезированной нанокерамики Pr0.97Sr0.03F2.97 при комнатной температуре (σcer = 1.7 × 10–7 См/см) существенно ниже проводимости исходного монокристалла (σcrys = 4.0 × 10–4 См/см), что обусловлено ее низкой (~75% от теоретического значения) плотностью. Термическая обработка нанокерамики при 823 K в вакууме приводит к росту величины σcer в 3 раза, а отжиг при 1273 K во фторирующей атмосфере – к дальнейшему росту проводимости (σcer = 4.3 × 10–5 См/см) вследствие процесса собирательной рекристаллизации и значительному увеличению плотности керамики до 90%. Техника механического измельчения и последующая термообработка нанопорошка Pr1–ySryF3–y позволяют получать однофазную высокопроводящую керамику. Разработанная методика синтеза керамических фторидных наноматериалов в качестве технологической формы твердых электролитов является многообещающим направлением дальнейших разработок в области создания фтор-ионных источников тока и газовых датчиков фтора.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. И. Сорокин

НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: nsorokin1@yandex.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники

Россия, Москва

Н. А. Архарова

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: nsorokin1@yandex.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники

Россия, Москва

Д. Н. Каримов

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: dnkarimov@gmail.com

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники

Россия, Москва

Список литературы

  1. Sobolev B.P., Sorokin N.I., Bolotina N.B. Photonic & Electronic Properties of Fluoride Materials. V. 1 // Progress in Fluorine Science / Eds. Tressaud A., Poeppelmeier K. Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 465. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801639-8.00021-0
  2. Karkera G., Anji Reddy M., Fichtner M. // J. Power Sources. 2021. V. 481. P. 228877. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228877
  3. Yiao A.W., Galatolo G., Pasta M. // Joule. 2021. V. 5. P. 2823. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.016
  4. Scholz G. // ChemText. 2021. V. 7. P. 16. https://doi.org/10.1007/s40820-021-00133-2
  5. Patro L.N. // J. Solid State Electrochem. 2020. V. 24. P. 2219. https://doi.org/10.1007/s10008-020-04769-x
  6. Потанин А.А. // Журн. Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 2001. Т. 45. № 5–6. С. 58.
  7. Anji Reddy М., Fichtner М. // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 17059. https://doi.org/10.1039/c1jm13535j
  8. Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Бучинская И.И. // Электрохимия. 2021. Т. 57. № 8. С. 465. https://doi.org/10.31857/S0424857021070136
  9. Buchinskaya I.I., Karimov D.N., Sorokin N.I. // Crystals. 2021. V. 11. № 6. P. 629. https://doi.org/10.3390/cryst11060629
  10. Fujara F., Kruk D., Lips O. et al. // Solid State Ionics. 2008. V. 179. P. 2350. https://doi.org/1 10.1016/j.ssi.2008.10.003
  11. Denecke M.A., Gunsser W., Privalov A.V., Murin I.V. // Solid State Ionics. 1992. V. 52. P. 327. https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90179-S
  12. Изосимова М.Г., Лившиц А.И., Бузник В.М. и др. // ФТТ. 1986. Т. 28. № 9. С. 2644.
  13. Takahashi T., Iwahara H., Ishikava T. // J. Electrochem. Soc. 1977. V. 124. № 2. P. 280. https://doi.org/10.1149/1.2133280
  14. Мурин И.В., Глумов О.В., Амелин Ю.В. // Журн. прикл. химии. 1980. Т. 53. № 7. С. 1474.
  15. Schoonman J., Oversluzen G., Wapenaar K.E.D. // Solid State Ionics. 1980. V. 1. P. 211. https://doi.org/10.1016/0167-2738(80)90005-3
  16. Сорокин Н.И., Смирнов А.Н., Федоров П.П., Соболев Б.П. // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 5. С. 641.
  17. Соболев Б.П., Свиридов И.А., Фадеева В.И. и др. // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 5. С. 919.
  18. Сорокин Н.И., Ивановская Н.А., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 2. С. 286. https://doi.org/10.7868/S002347611402026X
  19. Duvel A., Bednarcik J., Sepelak V., Heitjans P. // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. P. 7117. https://doi.org/10.1021/jp410018t
  20. Chable J., Martin A.G., Bourdin A. et al. // J. Alloys Compd. 2017. V. 692. P. 980. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.135
  21. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. Т. 1. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2000. 616 с.
  22. Stevenson A.J., Serier-Brault H., Gredin P., Mortier M. // J. Fluor. Chem. 2011. V. 132. P. 1165. https://doi.org/1016/j.jfluchem.2011.07.017
  23. Басиев Т.Т., Дорошенко М.Е., Конюшкин В.А. и др. // Изв. РАН. Сер. хим. 2008. № 5. С. 863.
  24. Дукельский К.В., Миронов И.А., Демиденко В.А. и др. // Опт. журн. 2008. Т. 75. № 11. С. 50.
  25. Соболев Б.П., Свиридов И.А., Фадеева В.И. и др. // Кристаллография. 2005. Т. 50. № 3. С. 524.
  26. Кузнецов С.В., Осико В.В., Ткаченко Е.А., Федоров П.П. // Успехи химии. 2006. Т. 75. № 12. С. 1065. https://doi.org/10.1070/RC2006v075n12ABEH003637
  27. Соболев Б.П., Сорокин Н.И., Кривандина Е.А., Жмурова З.И. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 4. С. 609. https://doi.org/10.7868/S0023476114040195
  28. Сорокин Н.И., Соболев Б.П., Кривандина Е.А., Жмурова З.И. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 1. С. 123. https://doi.org/10.7868/S0023476115010233
  29. Sobolev B.P., Seiranian K.B. // J. Solid State Chem. 1981. V. 39. № 3. P. 337. https://doi.org/10.1016/0022-4596(81)90268-1
  30. Кривандина Е.А., Жмурова З.И., Соболев Б.П. и др. // Кристаллография. 2006. Т. 51. № 5. С. 954.
  31. Ананьева Г.В., Баранова Е.Н., Заржицкая М.Н. и др. // Неорган. материалы. 1980. Т. 16. № 1. С. 68.
  32. Сорокин Н.И., Жмурова З.И., Кривандина Е.А., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 1. С. 98. https://doi.org/10.7868/S0023476113050147
  33. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // ФТТ. 2008. Т. 50. № 3. С. 402.
  34. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Электрохимия. 2007. Т. 43. № 4. С. 420.
  35. Сорокин Н.И., Фоминых М.В., Кривандина Е.А. и др. // Кристаллография. 1996. Т. 41. № 2. С. 310.
  36. Petricek V., Dusek M., Palatinus L. // Z. Kristallogr. Cryst. Mat. 2014. B. 229. S. 345.
  37. Соболев Б.П., Александров В.Б., Федоров П.П. и др. // Кристаллография. 1976. Т. 21. Вып. 1. С. 96.
  38. Сорокин Н.И., Ивановская Н.А., Бучинская И.И. // ФТТ. 2023. Т. 65. № 1. С. 106. https://doi.org/10.21883/FTT.2023.01.53931.498
  39. Кривандина Е.А., Жмурова З.И., Глушкова Т.М. и др. // Кристаллография. 2003. Т. 48. № 5. С. 940.
  40. Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Ивановская Н.А. // Кристаллография. 2021. Т. 66. № 6. С. 980. https://doi.org/10.31857/S0023476121060394
  41. Barsoukov E., Macdonald J.R. Impedance spectroscopy: theory, experiment and applications. New York.: Wiley, 2005. 606 p.
  42. Breuer S., Gombotz M., Pregartner V. et al. // Energy Storage Mater. 2019. V. 16. P. 481. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.010
  43. Chable J., Dieudonne B., Body M. et al. // Dalton Trans. 2015. V. 44. P. 19625. https://doi.org/10.1039/c5dt02321a
  44. Bratia H., Thie D.T., Pohl H.P. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. P. 23707. https://doi.org/10.1021/acsami.7b04936
  45. Кузнецов С.В., Яроцкая И.В., Федоров П.П. и др. // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52. № 3. С. 364.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Участок диаграммы системы SrF2–PrF3 [29] (а). Спектр пропускания кристаллов Pr1–ySryF3–y (y = 0.05 по составу шихты), толщина образцов 2 мм (б). Положения полос, связанных с присутствием ионов Nd3+, отмечены знаком*. На вставке показан внешний вид блоков кристаллов Pr0.97Sr0.03F2.97, полученных из расплава.

Скачать (237KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы твердого раствора Pr1–ySryF3–y: 1 – направленная кристаллизация расплава, 2 – метод МД, продолжительность τ = 1 ч, 3 – метод МД, τ = 4 ч, 4 – метод МД, τ = 4 ч и отжиг при T = 1273 K, τ = 2 ч. Показаны рассчитанные положения рефлексов Брэгга для пр. гр. P3c1 c параметрами a = 7.0802(1) и с = 7.2457(3) Å.

Скачать (105KB)
Метаданные
4. Рис. 3. СЭМ-изображения частиц Pr0.97Sr0.03F2.97 после МД в течение τ = 1 (а) и 4 ч (б).

Скачать (395KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Внешний вид поликристаллического образца (а) и СЭМ-изображение участков поверхности керамик, полученных из частиц Pr0.97Sr0.03F2.97 после τ = 1 (б) и = 4 ч (в) помола.

Скачать (447KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Годографы импеданса Z*(ω) для исходной (а) и отожженной при 1273 K в течение 2 ч (б) керамики Pr0.97Sr0.03F2.97 с Ag-электродами при температуре 297 ± 1 K. На вставке к рис. 5а показана эквивалентная электрическая схема, цифры у кривых обозначают частоту в кГц. Значения сопротивлений: а – Rcer = 1.6 × 107 Ом (экстраполяция), б – Rcer = 7.5 × 104 Ом, Rig = 8 × 103 Ом.

Скачать (98KB)
Метаданные
7. Рис. 6. СЭМ-изображения поверхности керамик Pr0.97Sr0.03F2.97, полученных из частиц методом МД в течение τ = 1 (а), τ = 4 ч (б) и отожженных при 1273 K в течение 2 ч, и соответствующие им гистограммы распределения кристаллических зерен по размерам.

Скачать (440KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024