Synthesis, crystal structure and properties of complex oxides with the perovskite structure based on neodymium, alkaline earth and 3d-transition metals : dissertation for the degree of candidate of chemical sciences : 02.00.04

📅 2019 год
Hossain, A.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

1. LITERATURE REVIEW ……………………………………………………………………………………….10
1.1 Structural studies of R1-xAxMnO3-δ ……………………………………………………………………..10
1.2 Structural studies of RMn0.5B0.5O3-δ…………………………………………………………………….15
1.3 Oxygen non-stoichiometry…………………………………………………………………………………18
1.4 Thermal expansion coefficient (TEC)………………………………………………………………….21
1.5 Conductivity (σ) and Seebeck coefficient (S) ………………………………………………………. 22
1.6 Thermodynamic stability of lanthanum manganite and its chemical compatibility with electrolytes ……………………………………………………………………………………………………………26
1.7 The task setting and research overview………………………………………………………………..28 2. EXPERIMENTAL TECHNIQUES………………………………………………………………………….30 2.1 Characteristics of raw materials and sample synthesis …………………………………………..30 2.2 X-ray Diffraction phase analysis…………………………………………………………………………32 2.3 Determination of oxygen non-stoichiometry ………………………………………………………..33 2.3.1 Thermogravimetric analysis …………………………………………………………………………33 2.3.2. Iodometric titration technique ……………………………………………………………………..35 2.4 Method for determining thermal expansion………………………………………………………….38 2.4.1 Dilatometric analysis …………………………………………………………………………………..38 2.4.2 High temperature x-ray diffraction phase analysis ……………………………………………..39 2.5 Methods of measuring electrical conductivity and Seebeck coefficient …………………… 40 2.6 Method of chemical compatibility test…………………………………………………………………41 2.7 Method of impedance spectroscopy…………………………………………………………………….41
3. SYNTHESIS AND CRYSTAL STRUCTURE OF Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25)………………………………………………………………………………….42
3.1 Room temperature crystal structure of Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) …………………………………………………………………………………………..42
3.1.1 NdxA1-xMnO3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x =0 and 0.25) ………………………………………..42 3.1.2 Nd1-xAxMn0.5Fe0.5O3−δ (A = Ba, Sr and Ca; x =0 and 0.25) ………………………………44 3.1.3 Nd1−xAxMn0.5Co0.5O3−δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)…………………………….49 3.1.4 NdNi0.5-xTxMn0.5O3-δ (T = Co, Cu; x=0 – 0.5)…………………………………………………51 3.1.5 Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ……………………………………………………………………………….61
3.2 HT structural analysis of Nd1-xBaxMn0.5Fe0.5O3−δ (x=0.25 and 0.5), Nd0.75Ba0.25Mn0.5Co0.5O3−δ and NdNi0.5Mn0.5O3-δ ……………………………………………………….63
3.2.1 Nd1-xBaxMn0.5Fe0.5O3−δ (x 0.25 and 0.5) ………………………………………………………..63
3.2.2 NdNi0.5Mn0.5O3-δ…………………………………………………………………………………………65 4. TEMPERATURE DEPENDENCE OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES ..68
3
4.1 Oxygen non-stoichiometry of Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25)………………………………………………………………………………………………………68
4.1.1 NdxA1-xMnO3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)………………………………………..68 4.1.2 ………………………………………………………………………………………………………………….69 NdxA1-xMn0.5Fe0.5O3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)………………………………………69 4.1.3 Nd1−xAxMn0.5Co0.5O3−δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)…………………………….72 4.1.4 NdNi0.5Mn0.5O3-δ…………………………………………………………………………………………74 4.1.5 Nd1-xBaxMn0.5Fe0.5O3-δ ………………………………………………………………………………..75
4.2 TEC measurements …………………………………………………………………………………………..77
4.2.1 TEC of Nd1-xBaxMn0.5Fe0.5O3−δ (x = 0.25 and 0.5) and NdNi0.5Mn0.5O3-δ using HT- XRPD……………………………………………………………………………………………………………….. 77
4.2.2 TEC of Nd0.75Ba0.25Mn0.5(Fe, Co)0.5O3−δ using dilatometry………………………………81
4.3 Total conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) of Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) ……………………………………………………………..84
4.3.1 NdxA1-xMnO3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)………………………………………..84 4.3.2 NdxA1-xMn0.5Fe0.5O3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)………………………………86 4.3.3 NdxA1-xMn0.5Co0.5O3-δ (A = Ba, Sr and Ca; x = 0 and 0.25)……………………………..89
5. APPLICATION OF Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3−δ AS CATHODS IN SOLID OXIDE FUEL CELLS …………………………………………………………………………………………………………………….94
5.1 Study of the chemical compatibility of Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3−δ with solid electrolyte Ce0.8Sm0.2O2-δ ………………………………………………………………………………………………………..94
5.2 Impedance spectroscopic study…………………………………………………………………………..95 FINDINGS ……………………………………………………………………………………………………………….97 List of symbols of letters and adopted abbreviations…………………………………………………..99 LIST OF REFERENCES…………………………………………………………………………………………..102

The increasing demand on global electrical power consumption, environmental problem and depletion of natural sources stimulate finding a modern and alternative way of renewable energy. Solid oxide fuel cells (SOFC) is one of the reliable alternative sources of renewable energy [1]. The reduction of working temperature down to the intermediate temperature range (600–800 ° C) is one of the main challenges in creating reliable long-term operating devices with improved performance. Various perovskite-type oxides have been studied in order to progress the cathode performance at intermediate temperature [1]. Among these perovskites cobalt based materials attracted much attention due to their high conductivity and good electrochemical properties, however thermal expansion coefficient (TEC) value is too high comparing to the possible electrolytes, like La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85 (LSGM) or Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO). Thus, thermomechanical incompatibility, and as a result, short-term stability of the cells with the cobalt-based cathode materials is the main drawback.
The efficiency of standard SOFCs cathode material based on LaMnO3 can be noticeably enhanced when lanthanum is substituted by neodymium. The moderate TEC value was also detected for the Co-doped materials, as well as Ni-substituted oxides reported as potential cathode materials for the intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) [2]. Although, there are significant amount of reports available on lanthanum manganites, but limited data presents on A-site substituted neodymium manganite and their iron-, cobalt-, and nickel-doped derivatives.
The aforementioned information confirms the relevance of the present work, which have been performed in the Department of Physical and Inorganic Chemistry, Institute of Natural Science and Mathematics, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin. This work was
5
supported by the Act 211 of the Government of the Russian Federation, agreement 02.A03.21.0006.
Goals and Objectives of the Work
The purpose of this work was the systematic study of crystal structure, oxygen nonstoichiometry and transport properties of complex oxides Nd1- xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) in order to establish the relationship between the chemical composition, structure and functional properties as well as verification of possibility for their use as cathode materials in SOFCs.
Following tasks were set to achieve the aforementioned goal:
1. Synthesis of Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) complex oxides and their crystal structure refinement.
2. Determination of oxygen nonstoichiometry in Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) versus temperature in air following with a comparative study of doping effect.
3. Determination of thermal expansion for the studied oxides using HT-XRPD and dilatometry measurements.
4. Determination of total conductivity and Seebeck coefficient for the studied oxides versus temperature.
5. Examination of chemical compatibility between the studied oxides with moderate TEC and high total conductivity (Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ) and Ce0.8Sm0.2O2-δ electrolyte.
6. Impedance spectroscopic measurements for the Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ cathodes for evaluation of possible application in SOFCs.
Theoretical and practical significance
The experimental results obtained in the work can be treated as basic knowledge which can be used in theoretical calculations and technical design
6

for the best performance as cathode materials in SOFCs. The experimental results on crystal structure, temperature dependent oxygen nonstoichiometry, TEC values, total conductivity and Seebeck coefficient of the studied materials will serve as a basis to establish theoretical links between composition, structure and properties. The calculated values of activation energy in Nd1- xAxMn0.5Fe0.5O3−δ provide additional information for understanding of the charge transference mechanism.
Thus, the experimental measurements and theoretical study of Nd1- xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) could support a choice of most optimal material for SOFCs application.
Methodology and research methods
1. The synthesis of the studied complex oxides was carried out by citrate- nitrate method.
2. The crystal structure was investigated by X-ray diffraction using a Maxima XRD-7000 and an Equinox 3000 diffractometers. The unit cell parameters were refined using the Le Bail method and structural parameters were refined by the Rietveld method using FullProf software.
3. Thermal expansion coefficient was determined using dilatometry and high-temperature X-ray diffraction analysis. Netzsch DIL 402 dilatometer and high-temperature cameras: HTK 1200N (Anton Paar) installed on Maxima XRD-7000 diffractometer were used as instruments.
4. Oxygen nonstoichiometry was investigated by thermogravimetric analysis using a Netzsch STA 409 PC instrument. The absolute value of oxygen content at room temperature was calculated from the results of Red-Ox titration with Mohr salt and iodometric titration methods using an automatic titrator Aquilon ATP-02.
5. Measurement of total electrical conductivity and thermo-emf was carried out simultaneously using the dc 4-probe method. The oxygen partial
7

pressure was adjusted and monitored inside the cell of the original design
using the Zirconia 318 device.
6. Chemical compatibility of complex oxides with respect to electrolyte was
studied by contact annealing at a temperature of 1458 K in air.
7. Impedance measurements were performed using an Elins Z-2000
instrument.
Defence items
1. The information on synthesis and crystal structure of Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) at room temperature.
2. The high temperature structural parameters for Nd1-xBaxMn0.5Fe0.5O3-δ (x = 0.25 and 0.5), NdNi0.5Mn0.5O3-δ and calculated values of thermal expansion.
3. Temperature dependencies of oxygen nonstoichiometry for Nd1- xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) complex oxides in air.
4. The values of thermal expansion for the studied complex oxide in air, obtained by high-temperature dilatometry.
5. The temperature dependent total conductivity and Seebeck coefficient for Nd1-xAxMn0.5B0.5O3-δ (A = Ba, Sr, Ca; B = Mn, Fe, Co, Ni; x = 0, 0.25) in air.
6. The results of chemical compatibility test for Nd0.5Ba0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ with
Ce0.8Sm0.2O2-δ electrolyte and Impedance spectroscopic results.
Reliability of results and approbation of work
The reliability of the results is achieved by an integrated approach using a variety of methods, which are independent and complement each other. The approbation of the work has been made in a form of presentations at the
8

international and Russian conferences and in the journal publications. The main results of the work were presented and discussed at: XXVII Conference “Problems of Theoretical and Experimental Chemistry” (Yekaterinburg, 2017); Sino-Russian ASRTU Conference Alternative Energy: Materials, Technologies, and Devices (Ekaterinburg, 2018); National Seminar on Design Synthesis, Characterization, Reactivity, Theoretical Study and Application of Different Advanced Functional Materials (Barddhaman, India, 2017); II International conference on Modern Synthetic Methodologies for Creating Drugs and Functional Materials (MOSM2018) (Ekaterinburg, 2018).
Publications
Main issues of the thesis are published in 3 articles and 5 abstracts of presentations at All-Russian and international conferences.
Structure and scope of work:
The thesis work consists of introduction, 5 chapters, conclusions and bibliography. The material is presented on 123 pages, the work contains 23 tables, 42 figures, and list of references contains 158 items.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Александра С.
    5 (91 отзыв)
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.
    #Кандидатские #Магистерские
    132 Выполненных работы
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Екатерина С. кандидат наук, доцент
    4.6 (522 отзыва)
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    #Кандидатские #Магистерские
    1077 Выполненных работ
    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету

    Моделирование деградации кермета Ni-Zr0.82Y0.18O0.91 и композитного эффекта в ионной проводимости композитов La2Mo2O9-La2Mo3O12
    📅 2022год
    🏢 ФГБУН Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
    Электрохимически активные мономеры и полимеры с пендантными группами на основе соединений 9Н-тиоксантен-9-онового ряда
    📅 2022год
    🏢 ФГБУН Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук
    Кинетика и механизм радикальных реакций гидрофильных тиолов
    📅 2021год
    🏢 ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук
    Исследование влияния сопряжения p-электронов в углеродных нанотрубках на их эмиссионные свойства
    📅 2021год
    🏢 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
    Хемилюминесценция в реакции ароматических нитрозосоединений с трифенилфосфином
    📅 2021год
    🏢 ФГБНУ Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук
    Термодинамические свойства сополимеров на основе хитозана
    📅 2021год
    🏢 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»