Термическое и химическое расширение слоистых кислороддефицитных двойных перовскитов

Слоистые кислороддефицитные двойные перовскиты (КДП) на основе редкоземельных элементов (РЗЭ), бария и 3d-металлов (Fe, Co, Cu и др.) характеризуются высокими электропроводностью и электрохимической активностью в реакции восстановления кислорода, благодаря чему рассматриваются как перспективные катодные материалы для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на основе протон- и кислородионпроводящих твердых электролитов (ТЭ). Эффективные катодные материалы должны быть термомеханически совместимы с материалами ТЭ, что наблюдается в случае близости их коэффициентов термического расширения (КТР). В связи с этим исследование термического расширения КДП, а также выделение различных вкладов в него (термического, химического, спинового и др.) представляет значительный интерес. Дилатометрическим методом исследовано термическое расширение КДП NdBa_1–xSr_xFeCo_0,5Cu0,5O_6−δ (0,0 ≤ х ≤ 1,0) (NBSFCC). Установлено, что значения среднего коэффициента линейного термического расширения КЛТР (α) образцов скачкообразно возрастают от (15,1–16,2) · 10^–6 К^–1 при Т < 630–920 К до (18,9–23,5) · 10^–6 К^–1 при Т > 630–920 К, что обусловлено выделением из образцов слабосвязанного кислорода. Значения α фаз NBSFCC в низкотемпературном интервале увеличиваются с ростом их индекса кислородной нестехиометрии (δ), а в высокотемпературном – с ростом х, что связано с возрастанием химического вклада в расширение образцов. На основании результатов дилатометрии, термогравиметрии и иодометрии выделены термический и химический вклады в расширение КДП NBSFCC и исследованы их зависимости от типа структуры, катионного и анионного составов фаз NBSFCC. Обнаружено, что значения коэффициента линейного химического расширения (КЛХР, αδ ) образцов сильно возрастают от (8,6–11,8) · 10^–3 для х < 0,5 до (12,6–15,8) · 10^–3 для х > 0,5 при повышении симметрии твердых растворов NBSFCC. Показано, что установленные в данной работе зависимости КЛТР и КЛХР фаз NBSFCC от их структуры и химического состава хорошо согласуются с аналогичными зависимостями, обнаруженными ранее для других КДП.

1. Understanding and controlling chemo-mechanical coupling in perovskite oxides / N. H. Perry [et al.] // J. Electrochem. Soc. – 2016. – Vol. 72, № 24. – P. 1–8. https://doi.org/10.1149/07224.0001ecst

2. Истомин, С. Я. Катодные материалы на основе перовскитоподобных оксидов переходных металлов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов / С. Я. Истомин, E. В. Антипов // Успехи химии. – 2013. – Т. 82, № 7. – С. 686–700. https://doi.org/10.1070/RC2013v082n07ABEH004390

3. Recent development of perovskite oxide-based electrocatalysts and their applications in low to intermediate temperature electrochemical devices / M. Zhang [et al.] // Mater. Today. – 2021. – Vol. 49. – P. 351–377. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.05.004

4. Løken, A. Thermal and chemical expansion in proton ceramic electrolytes and compatible electrodes / A. Løken, S. Ricote, S. Wachowski // Crystals. – 2018. – Vol. 8. – P. 365. https://doi.org/10.3390/cryst8090365

5. A brief review of conductivity and thermal expansion of perovskite-related oxides for SOFC cathode / A. V. Nikonov [et al.] // Eurasian J. Phys. Funct. Mater. – 2018. – Vol. 2, № 3. – P. 274–292. https://doi.org/10.29317/ejpfm.2018020309

6. Jacobson, A. J. Materials for solid oxide fuel cells / A. J. Jacobson // Chem. Mater. – 2010. – Vol. 22. – P. 660–674. https://doi.org/10.1021/cm902640j

7. Layered oxygen-deficient double perovskites as promising cathode materials for solid oxide fuel cells / A. I. Klyndyuk [et al.] // Materials. – 2022. – Vol. 15, № 1. – P. 141. https://doi.org/10.3390/ma15010141

8. Recent progress of perovskite-based electrolyte materials for solid oxide fuel cells and performance optimizing strategies for energy storage applications / M. B. Hanif [et al.] // Mater. Res. Bull. – 2022. – Vol. 146. – P. 111612. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111612

9. Recent advancements, doping strategies and the future prospective of perovskite-based solid oxide fuel cells for energy conversion / M. B. Hanif [et al.] // Chem. Eng. J. – 2022. – Vol. 428. – P. 132603. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132603

10. Kumar, V. A review on recent progress and selection of cobalt-based cathode materials for low temperature solid oxide fuel cells / V. Kumar, R. Khandale // Renew. Sustain. Energy. Rev. – 2022. – Vol. 156. – P. 111985. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111985

11. Клындюк, А. И. Слоистые купрокобальтиты RBaCuCoO5+δ (R = Nd, Sm, Gd): синтез, структура и свойства / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Журн. неорг. хим. – 2009. – Т. 54, № 7. – С. 1072–1076.

12. Клындюк, А. И. Новые перовскитные оксиды LaBaMCoO5+δ (M = Fe, Cu): синтез, структура и свойства / А. И. Клындюк // Физика твердого тела. – 2009. – Т. 51, № 2. – С. 256–260.

13. Structure, nonstoichiometry and thermal expansion of the NdBa(Co,Fe)2O5+δ layered perovskite / V. A. Cherepanov [et al.] // Solid State Ionics. – 2011. – Vol. 188, № 1. – P. 53–57. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.10.021

14. Кристаллическая структура и физико-химические свойства слоистых перовскитоподобных фаз LnBaCo2O5+δ // Т. В. Аксенова [и др.] // Журн. физ. химии. – 2011. – Т. 85, № 3. – С. 427–432.

15. Журавлева, Т. А. Электрофизические свойства слоистых перовскитов LnBaCo2–xCuxO5+δ (Ln = Sm, Nd) для твердооксидных топливных элементов / T. A. Журавлева // Электрохимия. – 2011. – Т. 47, № 6. – С. 723–727.

16. Investigation of layered perovskite NdBa0,5Sr0,25Ca0,25Co2O5+δ as cathode for solid oxide fuel cells / C. Yao [et al.] // Ceram. Int. – 2018. – Vol. 44, iss. 11. – P. 12048–12054. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.03.206

17. Evaluation of calcium codoping in double perovskite PrBaCo2O5+δ as cathode for IT–SOFCs / W. Xia [et al.] // Electrochim. Acta. – 2020. – Vol. 364. – P. 137274. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137274

18. Double-perovskite PrBaCo2/3Fe2/3Cu2/3O5+δ as cathode material for intermediate temperature solid-oxide fuel cells / F. Jin [et al.] // J. Power Sources. – 2013. – Vol. 234. – P. 244–251. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.01.172

19. Structure and properties of novel cobalt-free oxides NdxSr1–xFe0.8Cu0.2O3–δ (0.30 ≤ x ≤ 0.70) as cathodes of intermediate temperature solid oxide fuel cells / J. W. Yin [et al.] // J. Phys. Chem. – 2014. – Vol. 118, № 25. – P. 13357–13368. https://doi.org/10.1021/jp500371w

20. Enhanced electrochemical performance of Ca-doped NdBa1–xCaxCoCuO5+δ as cathode materials for intermediatetemperature solid oxide fuel cells / S. Pang [et al.] // Ceram. Int. – 2018. – Vol. 44, № 17. – P. 21902–21907. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.301

21. Kong, X. NdBaCu2O5+δ and NdBa0.5Sr0.5Cu2O5+δ layered perovskite oxides as cathode materials for ITSOFCs / X. Kong [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2015. – Vol. 40, iss. 46. – P. 16477–16483. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.09.006

22. Клындюк, А. И. Кристаллическая структура, тепловое расширение и электропроводность слоистых оксидов LnBa(Fe,Co,Cu)2O5+δ (Ln = Nd, Sm, Gd) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Физика и химия стекла. – 2014. – Т. 40, № 1. – C. 158–163.

23. Клындюк, А. И. Влияние дефицита катионов на структуру и свойства слоистого феррокупрата лантана-бария / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Журн. неорг. хим. – 2008. – Т. 53, № 4. – С. 579–584.

24. Клындюк, А. И. Структура и электротранспортные свойства купрокобальтитов LnBaCuCoO5+δ (Ln = Y, Dy) / А. И. Клындюк // Журн. неорг. хим. – 2009. – Т. 54, № 7. – C. 1077–1080.

25. Клындюк, А. И. Физико-химические свойства твердых растворов La(Ba,M)CuFeO5+δ (M – Sr, Ca, Mg) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Неорган. материалы. – 2006. – Т. 42, № 4. – С. 490–496.

26. Клындюк, А. И. Свойства фаз RBaCuFeO5+δ (R – Y, La, Pr, Nd, Sm–Lu) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Неорган. материалы. – 2006. – Т. 42, № 5. – С. 611–622.

27. Клындюк, А. И. Структура и свойства слоистого НоВаСuСоO5+δ / А. И. Клындюк // Неорган. материалы. – 2006. – Т. 45, № 7. – С. 868–870.

28. Клындюк, А. И. Структура и электрофизические свойства слоистых PrBaMCoO5+δ (M – Cu, Fe) / А. И. Клындюк // Неорган. материалы. – 2009. – Т. 45, № 8. – С. 1013–1016.

29. Клындюк, А. И. Структура и электрофизические свойства феррокобальтитов LnBaFeCoO5+δ (Ln = Tb, Dy, Ho, Y) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Физика твердого тела. – 2009. – Т. 51, № 4. – С. 625–629.

30. Клындюк, А. И. Влияние взаимозамещения редкоземельных элементов на структуру и свойства твердых растворов (Pr,Nd,Sm)BaCoFeO5+δ /А. И. Клындюк, Е. А. Чижова, Е. А. Тугова // Вес. Нац. акад. навук Беларуси. Сер. хiм. навук. – 2014. – № 1. – С. 8–11.

31. Szpunar, I. High-temperature structural and electrical properties of BaLnCo2O6-δ positrodes / I. Szpunar [et al.] // Materials. – 2020. – Vol. 13, № 18. – P. 4044. https://doi.org/10.3390/ma13184044

32. Клындюк, А. И. Синтез и свойства LnBaFeCoO5+δ (Ln – Nd,Sm, Gd) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Неорган. материалы. – 2013. – Т. 49, № 3. – С. 326–332. https://doi.org/10.7868/S0002337X130300081

33. Клындюк, А. И. Термическое и химическое расширение феррокупратов LnBaCuFeO5+δ (Ln = La, Pr, Gd) и твердого раствора LaBa0.75Sr0.25CuFeO5+δ / А. И. Клындюк // Журн. неорг. химии. – 2007. – Т. 52, № 9. – С. 1436–1443.

34. Клындюк, А. И. Свойства перовскитоподобных фаз LnBaCuFeO5+δ (Ln – La, Pr) / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Физика и химия стекла. – 2008. – Т. 34, № 3.– С. 410–416.

35. The origin of triple conductivity and water uptake in layered double perovskites: A case study on lanthanumsubstituted GdBaCo2O6−δ. / D. Malyshkin [et al.] // J. Alloys Compd. – 2020. – Vol. 845. – P. 156309. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156309

36. In-operando study of chemical expansion and oxygen surface exchange rate in epitaxial GdBaCo2O5.5 electrodes in a solid-stateelectrochemical cell by time-resolved X-ray diffraction / A. Chatterjee [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2018. – Iss. 26. – P. 12430–124391. https://doi.org/10.1039/doi.org/10.1039/C8TA02790K

37. Karen, P. EuBaFe2O5+w: Valence mixing and charge ordering are two separate cooperative phenomena / P. Karen, K. Gustafsson, J. Linden // J. Solid State Chem. – 2007. – Vol. 180, iss. 1. – P. 148–157. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.09.031

38. Karen, P. Synthesis and equilibrium oxygen nonstoichiometry of PrBaFe2O5+w / P. Karen // J. Solid State Chem. – 2021. – Vol. 299. – P. 122147. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2021.122147

39. Defect structure and defect-induced expansion of MIEC oxides – doped lanthanum cobaltites / A. Yu. Zuev [et al.] // ECS Trans. – Vol. 45, № 1. – P. 63–73. https://doi.org/10.1149/1.3701293

40. Mechano-chemical coupling in double perovskites as energy related materials / D. S. Tsvetkov [et al.] // ECS Trans. – 2016. – Vol. 72. – P. 21–35. https://doi.org/10.1149/07224.0021ecst

41. Chemical lattice strain in nonstoichiometric oxides: an overview / D. S. Tsvetkov [et al.] //J. Mater. Chem. A. – 2022. – Iss. 12. – P. 6351–6375. https://doi.org/10.1039/d1ta08407k

42. Systematic evaluation of Co-free LnBaFe2O5+t (Ln = Lanthanides or Y) oxides towards the application as cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells / D. Chen [et al.] // Electrochim. Acta. – 2012. – Vol. 78. – P. 466–474. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.06.073

43. Thermal and chemical induced expansion of La0.3Sr0.7(Fe,Ga)O3–δ ceramics / V. V. Kharton [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. – 2003. – Vol. 23, iss. 9. – P. 1417–1426. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00308-4

44. Effect of A-Site cation ordering on chemical stability, oxygen stoichiometry and electrical conductivity in layered LaBaCo2O5+δ double perovskite / C. Bernuy-Lopez [et al.] // Materials. – 2016. – Vol. 9, № 3. – P. 154. https://doi.org/10.3390/ma9030154

45. Клындюк, А. И. Структура, тепловые и электрические свойства твердых растворов системы NdBaFeCo0.5Cu0.5O5+δ– NdSrFeCo0.5Cu0.5O5+δ / А. И. Клындюк, Я. Ю. Журавлева, Н. Н. Гундилович, Е. А. Чижова // Неорган. материалы. – 2023. – T. 59, № 1. – C. 88–94. https://doi.org/10.31857/S0002337X23010086

46. Oxygen content determination in perovskite-type cobaltates // K. Conder [et al.] // Mater. Res. Bull. – 2005. – Vol. 40, iss. 2. – P. 257–263. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2004.10.009

47. Shannon, R. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R. Shannon // Acta Cryst. – 1976. – Vol. 32. – P. 751–767. https://doi.org/10.1107/s0567739476001551