Search

Solid oxide structure of the cobalt-free composite has been exploited as a new cathode material for IT-SOFCs. The composite model system was synthesized using the metallic oxide material, which was formed by a solid-state reaction technique. The generation of the Sm0.5Sr0.25Ba0.25FeO3-δ (SSBF) model system was carried out during the sintering process. The weight loss and oxygen content were investigated by thermal gravimetric analysis (TG). Meanwhile, X-ray diffraction characterized the structure of the composite and thermal conductivity tested the conductivity properties. The results showed that the structure of the SSBF composite demonstrated the perovskite single phase leading to the structural design. The decomposition and evaporation of the constituent elements of the composite corresponded to weight losses during the constructing process. The oxygen content of the model system was 2.98 after the calcination process. The electrical conductivity value reached 2 S cm-1 at 400 °C and increases to a maximum of 7.5 S cm-1 at 710 °C. The metallic element played to generating the conductive behavior at the low temperature, while the ionic structure acted as elevated temperature. So, mixed ionic and electric conductors (MIEC) were employed comprehensively for creating the conductive properties. Based on the structure and conductivity results, the SSBF composite has a good chance as an alternative cathode material with a perovskite single phase for future TI-SOFCs applications, Твердооксидная структура бескобальтового композита была использована в качестве нового катодного материала для СТ-ТОТЭ. Модельная система композита была синтезирована с использованием металлического оксидного материала, полученного методом твердотельной реакции. Формирование модельной системы Sm0.5Sr0.25Ba0.25FeO3-δ (SSBF) осуществляли в процессе спекания. Потерю веса и содержание кислорода исследовали методом термогравиметрического анализа (ТГ). При этом, с помощью рентгеноструктурного анализа характеризовали структуру композита, свойства проводимости испытывали с помощью теплопроводности. Результаты показали, что структура композита SSBF демонстрирует однофазность перовскита, приводящую к построению структуры. Распад и испарение составляющих элементов композита соответствовали потерям веса в процессе построения структуры. После прокаливания содержание кислорода в модельной системе составило 2,98. Значение электропроводности достигло 2 См см-1 при 400 °C и увеличивается до максимума 7,5 См см-1 при 710 °C. Металлический элемент играл роль проводника при низкой температуре, в то время как ионная структура действовала как повышенная температура. Таким образом, для создания проводящих свойств были комплексно использованы смешанные ионные и электрические проводники (СИЭП). Основываясь на результатах по структуре и проводимости, композит SSBF имеет хорошие шансы в качестве альтернативного катодного материала с однофазным перовскитом для будущих применений СТ-ТОТЭ., Твердооксидну структуру безкобальтового композиту було використано в якості нового катодного матеріалу для СТ-ТОПЕ. Модельна система композиту була синтезована з використанням металевого оксидного матеріалу, отриманого методом твердотільної реакції. Формування модельної системи Sm0.5Sr0.25Ba0.25FeO3-δ (SSBF) здійснювали в процесі спікання. Втрату ваги і вміст кисню досліджували методом термогравіметричного аналізу (ТГ). При цьому, за допомогою рентгеноструктурного аналізу характеризували структуру композиту, властивості провідності випробовували за допомогою теплопровідності. Результати показали, що структура композиту SSBF демонструє однофазність перовськіту, що призводить до побудови структури. Розпад і випаровування складових елементів композиту відповідали втратам ваги в процесі побудови структури. Після прожарювання вміст кисню в модельній системі склав 2,98. Значення електропровідності досягло 2 См см-1 при 400 °C і збільшується до максимуму 7,5 См см-1 при 710 °C. Металевий елемент грав роль провідника при низькій температурі, в той час як іонна структура діяла як підвищена температура. Таким чином, для створення провідних властивостей були комплексно використані змішані іонні та електричні провідники (ЗІЕП). Виходячи з результатів структури та провідності, композит SSBF має хороші шанси в якості альтернативного катодного матеріалу з однофазним перовськітом для майбутніх застосувань СТ-ТОПЕ.

The main obstacle to solid oxide fuel cells (SOFCs) implementation is the high operating temperature in the range of 800–1,000 °C so that it has an impact on high costs. SOFCs work at high temperatures causing rapid breakdown between layers (anode, electrolyte, and cathode) because they have different thermal expansion. The study focused on reducing the operating temperature in the medium temperature range. SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ (SBSC) oxide was studied as a cathode material for IT-SOFCs based on Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) electrolyte. The SBSC powder was prepared using the solid-state reaction method with repeated ball-milling and calcining. Alumina grinding balls are used because they have a high hardness to crush and smooth the powder of SOFC material. The specimens were then tested as cathode material for SOFC at intermediate temperature (600–800 °C) using X-ray powder diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), electrochemical, and scanning electron microscopy (SEM) tests. The X-ray powder diffraction (XRD) pattern of SBSC powder can be indexed to a tetragonal space group (P4/mmm). The overall change in mass of the SBSC powder is 8 % at a temperature range of 125–800 °C. A sample of SBSC powder showed a high oxygen content (5+δ) that reached 5.92 and 5.41 at temperatures of 200 °C and 800 °C, respectively. High diffusion levels and increased surface activity of oxygen reduction reactions (ORRs) can be affected by high oxygen content (5+δ). The polarization resistance (Rp) of samples sintered at 1000 °C is 4.02 Ωcm2 at 600 °C, 1.04 Ωcm2 at 700 °C, and 0.42 Ωcm2 at 800 °C. The power density of the SBSC cathode is 336.1, 387.3, and 357.4 mW/cm2 at temperatures of 625 °C, 650 °C, and 675 °C, respectively. The SBSC demonstrates as a prospective cathode material for IT-SOFC, Основным препятствием для внедрения твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) является высокая рабочая температура в диапазоне 800-1000 °С, что сказывается на высоких затратах. ТОТЭ работают при высоких температурах, что вызывает быстрый разрыв между слоями (анод, электролит и катод), поскольку они имеют различное тепловое расширение. Исследование посвящено снижению рабочей температуры в среднем температурном диапазоне. В качестве катодного материала для ПТ-ТОТЭ на основе электролита Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) был исследован оксид SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ (SBSC). Порошок SBSC получали методом твердофазной реакции с повторным измельчением в шаровой мельнице и прокаливанием. Использовались мелющие шары из оксида алюминия поскольку они обладают высокой твердостью для измельчения и сглаживания порошка материала ТОТЭ. Затем было проведено испытание образцов в качестве катодного материала для ТОТЭ при промежуточной температуре (600-800 °C) с использованием порошковой рентгеновской дифракции (ПРД), термогравиметрического анализа (ТГА), электрохимических испытаний и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Дифрактограмма порошка SBSC можно индексировать по тетрагональной кристаллографической группе (P4/mmm). Общее изменение массы порошка SBSC составляет 8% в диапазоне температур 125-800 °C. Образец порошка SBSC показал высокое содержание кислорода (5+δ), которое достигало 5,92 и 5,41 при температурах 200 °C и 800 °C соответственно. Высокое содержание кислорода (5+δ) может влиять на высокие уровни диффузии и повышенную поверхностную активность реакций восстановления кислорода (РВК). Поляризационное сопротивление (Rp) образцов, спеченных при 1000 °C, составляет 4,02 Омсм2 при 600 °C, 1,04 Омсм2 при 700 °C и 0,42 Омсм2 при 800 °C. Удельная мощность катода SBSC составляет 336,1, 387,3 и 357,4 МВт/см2 при температуре 625 °С, 650 °С и 675 °С соответственно. SBSC демонстрирует перспективность в качестве катодного материала для ПТ-ТОТЭ, Основною перешкодою для впровадження твердооксидних паливних елементів (ТОПЕ) є висока робоча температура в діапазоні 800–1000 °С, що позначається на високих витратах. ТОПЕ працюють при високих температурах, що викликає швидкий розрив між шарами (анод, електроліт і катод), оскільки вони мають різне теплове розширення. Дослідження присвячено зниженню робочої температури в середньому температурному діапазоні. В якості катодного матеріалу для ПТ-ТОПЕ на основі електроліту Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) був досліджений оксид SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ (SBSC). Порошок SBSC отримували методом твердофазної реакції з повторним подрібненням в кульовому млині і прожарюванням. Використовувалися мелючі кулі з оксиду алюмінію оскільки вони мають високу твердість для подрібнення і згладжування порошку матеріалу ТОПЕ. Потім було проведено випробування зразків в якості катодного матеріалу для ТОПЕ при проміжній температурі (600–800 °C) з використанням порошкової рентгенівської дифракції (ПРД), термогравіметричного аналізу (ТГА), електрохімічних випробувань і скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Дифрактограму порошку SBSC можна індексувати за тетрагональною кристалографічною групою (P4/mmm). Загальна зміна маси порошку SBSC становить 8 % в діапазоні температур 125–800 °C. Зразок порошку SBSC показав високий вміст кисню (5+δ), що досягав 5,92 і 5,41 при температурах 200 °C і 800 °C відповідно. Високий вміст кисню (5+δ) може впливати на високі рівні дифузії і підвищену поверхневу активність реакцій відновлення кисню (РВК). Поляризаційний опір (Rp) зразків, спечених при 1000 °C, становить 4,02 Омсм2 при 600 °C, 1,04 Омсм2 при 700 °C і 0,42 Омсм2 при 800 °C. Питома потужність катода SBSC становить 336,1, 387,3 і 357,4 МВт/см2 при температурі 625 °С, 650 °С і 675 °С відповідно. SBSC демонструє перспективність в якості катодного матеріалу для ПТ-ТОПЕ

A cobalt-free perovskite oxide Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cr0.2O3-δ(SSFC) has been exploited as a novel cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). The cathode model was synthesized with the addition of the chromium element in the B side of the composite metallic oxide system, which was then formed by the solid-state reaction method. The model system was further characterized in detail for getting the properties behavior. The solid-state reaction of the SSFC system was observed through thermal gravimetric analysis. Meanwhile, the structural properties were investigated by x-ray diffraction, and the weight loss was examined by the thermal gravimetric analysis as well. Furthermore, the thermal expansion coefficient was determined by the thermal-mechanical analysis, and the conductivity properties were tested by the thermal conductivity analysis. The result showed that the SSFC cathode demonstrated the crystalline structure based on the design with a perovskite phase. The oxygen content created on the model structure was obtained to be 2.98 after the calcination process. The average thermal expansion coefficient was achieved up to 5.0×10-6K-1as the heating given up to 800°С. Moreover, the conductivity value reached from 2S∙cm-1at 400°С and it increased to be a maximum of 7.5S∙cm-1at 700°С. In addition, the presence of Cr6+cation valence coordinated with the oxygen anion could lead to generating a large concentration of oxygen vacancies on the cathode surface, facilitating the transport of the O2−anion in the cathode system. Based on these results, the SSFC cathode has good properties as a composite system promising for IT-SOFCs application in the future