Composite materials based on tetragonal zirconia designed for application in a new generation of electrochemical devices

Abstract

Niniejsza praca doktorska ma na celu zbadanie wpływu dodatku tlenku glinu do materiału elektrolitowego 3 Y- TZP zarówno na jego przewodnictwo elektryczne, jak i właściwości mechaniczne. Proszki 3-YSZ przygotowano za pomocą trzech różnych metod chemii mokrej, tj. metody cytrynianowej, żelatynowej oraz współstrącania. W pracy zastosowano dwie techniki wprowadzenia tlenku glinu do matrycy kompozytu, a mianowicie: drogą chemiczną oraz metodą impregnacji proszku 3-YSZ w alkoholowym roztworze azotanu glinu o tak dobranym stężeniu, aby uzyskać spieki zawierające 1, 5, 10 oraz 15 % mol. tlenku glinu. Wyniki badań fizykochemicznych wskazują, że najlepsze właściwości mikrostrukturalne, elektryczne i mechaniczne, z punktu widzenia zastosowania materiału jako elektrolitu stałego dla ogniw typu SOFC, osiągnięto w przypadku próbki zawierającej 10 % mol. A12O3, przygotowanej na bazie proszku 3-YSZ preparowanego metodą żelatynową, który po zagęszczaniu poddano spiekaniu swobodnemu w 1773 K przez 2 godz. w powietrzu. Kolejnym niezmiernie ważnym aspektem poruszonym w pracy była ocena stabilności chemicznej elektrolitu na bazie 3Y-TZP/10 % mol. A12O3 oraz 3Y-TZP w stosunku do dwóch elektrod, tj. katody o składzie LaO,6SrO,4CoO,2FeO,803 (LSCF48) oraz anody, której głównym składnikiem jest NiO. Badania te dowiodły, że oba badane materiały elektrolitowe wykazują wysoką stabilność chemiczną zarówno względem materiału katodowego, jak i anodowego w 1023 K, tj. temperaturze przewidywanej ich pracy w ogniwie paliwowym typu IT- SOFC. Ostatnim etapem prac była konstrukcja przegród komórki ogniwa paliwowego IT-SOFC opartego o suport elektrolitowy na bazie otrzymanych w pracy materiałów 3Y-TZP/10 % mol. A12O3 i 3Y-TZP o grubości około 1 mm oraz przeprowadzenie ich testów elektrochemicznych. Pomiary te wykazały znaczne różnice w działaniu ogniw paliwowych w zależności od zastosowanego materiału elektrolitowego. Znacznie lepsze właściwości funkcjonalne wykazywało ogniwo paliwowe IT-SOFC z zastosowaniem materiału 3Y-TZP w charakterze elektrolitu. W przypadku zastosowania cieńszego elektrolitu, wydajność elektrochemiczna tych ogniw paliwowych wzrosłaby i prawdopodobnie mogłaby osiągnąć wartości porównywalne dla ogniw typu ASC. The focus of this doctoral thesis is to investigate the impact of adding aluminum oxide to the 3Y-TZP electrolyte material on both ionic conductivity and mechanical properties. The 3-YSZ powders were prepared using three wet chemistry methods, namely: citrate gel, gelatin, and co-precipitation. There were two techniques employed to introduce aluminum oxide into the composite matrix: through chemical processes and by impregnating 3-YSZ powder in an alcoholic aluminum nitrate solution. The concentration of the solution was carefully selected to yield sinters containing 1,5, 10, and 15 mol.% of aluminum oxide. Considering the microstructural, electrical, and mechanical properties for utilizing the material as a solid electrolyte in SOFCs, the 10 mol.% A12O3 material prepared using the gelatin method, followed by densification and free sintering at a temperature of 1773 K for 2 h in air, yielded the best results. Another important aspect discussed in this doctoral thesis was evaluating the chemical stability of the electrolyte based on 3Y-TZP/10 mol.% A12O3 and 3Y-TZP when in contact with the cathode composed of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803 (LSCF48), and the anode primarily consisting of NiO. These investigations confirm that both tested electrolyte materials exhibit high chemical stability relative to both the cathode and anode materials at 1023 K, the expected operational temperature for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT- SOFCs). The final phase of this work was the assembly of a single IT-SOFC with electrolyte support based on the obtained 3Y-TZP/10 mol.% A12O3 and 3Y-TZP materials with an approximate thickness of 1 mm, followed by conducting electrochemical measurements. These measurements showed significant discrepancies in cell performance contingent on the employed electrolyte material. Substantially superior functional attributes were observed in the IT-SOFC utilizing 3Y-TZP as the electrolyte. If a thinner electrolyte was adopted, the cell's efficiency would increase and could potentially reach values comparable to those observed in anode-supported cells ASC.