31840

اثر دوپۀ Zn بر ريزساختار و خواص الكتريكي بدنه‌هاي SrTiO3

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي

1403

1403/07/14

مهدي دارب ، بيژن افتخاري يكتا

/

مواد و متالورژي

منبع اصلي توليد انرژي در جهان امروزه بيشتر از سوخت‌هايي است كه تجديدناپذير هستند و آلودگي‌زا بودن اين دسته از سوخت‌ها ممكن است بحراني در آينده در تامين انرژي ايجاد كند. استفاده بيشتر از سوختهاي تجديدپذير از جمله هيدروژن، مي تواند راه حلي در اين زمينه باشد. پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC) يكي فناوري كارآمد براي استفاده از هيدروژن در صنعت انرژي است و پژوهش‌هاي جدي در دنيا بر روي اجزاي كليدي آن از جمله الكترود كاتد و آند، در پي بهينه سازي و مقرون به صرفه كردن اين فناوري است. آند به ‌عنوان يكي از اجزاي اصلي پيل سوختي اكسيد جامد، نقش بسيار تعيين‌كننده‌اي در عملكرد آن ايفا مي‌كند. در آند، سوخت هيدروژني اكسايش يافته و محصول اين واكنش براي تكميل فرايند توليد الكتريسيته در برابر محصولات الكترود كاتد قرار مي گيرد. پروسكايت تيتانات استرانسيم يكي از موادي است كه بطور گسترده به عنوان آند پيل سوختي اكسيد جامد استفاده مي‌شود. آلاييدن و بهينه‌سازي شرايط كلسيناسيون دو رويكرد بسيار مهم در بهبود عملكرد آند در پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد هستند. در بين عناصر مختلف روي، كم‌تر مورد توجه پژوهشگرها بوده است. در اين بررسي، پيش‌مادۀ تيتانات استرانسيم از طريق روش سل ژل سنتز شد. كلسيناسيون ژل خشك در هفت دماي 550، 700، 900، 1000، 1050، 1100 و 1150 درجه‌سانتي‌گراد صورت گرفت و يك دما به‌ عنوان دماي بهنيۀ كلسيناسيون انتخاب شد. در مرحلۀ بعد، نمونۀ كلسينه‌شده در دماي بهينه با محلول نيترات روي تلقيح شد و پس از خشكايش تحت عمليات كلسيناسيون در دماي 1250 درجه‌سانتي‌گراد قرار گرفت. در اين مرحلۀ كلسيناسيون، زمان ماند با سه مقدار يك، دو و چهار ساعت به‌عنوان متغير انتخاب شد. تحليل فازي و بررسي تبديلات فازي و شيميايي با استفاده از پراش اشعۀ ايكس (XRD) و آناليزهاي گرمايي افتراقي و وزني (DTA و TGA) صورت گرفت. بررسي ريزساختار نمونه‌هاي روي‌دار و مقايسۀ آن‌ها با نمونه‌هاي شاهد با روش ميكروسكوپي الكتروني روبشي (SEM) انجام شد. سرانجام، عملكرد الكتروشيميايي برخي از نمونه‌ها با روش طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي سنجيده شد. طبق نتايج پراش‌سنجي اشعۀ ايكس، دماي 1150 درجه‌سانتي‌گراد بهترين دما براي كلسيناسيون اوليۀ ژل است. همچنين مشخص شد ورود روي به ساختار تيتانات استرانسيم وابستگي شديد به زمان كلسيناسيون دارد؛ به ‌نحوي كه آلايش روي در زمان‌هاي ماند يك و دو ساعت محقق نشده بود و شواهد بر آلايش تنها در زمان چهار ساعت دلالت داشت. همچنين، ورود روي به ساختار پروسكايت باعث جلوگيري از رشد افراطي دانه‌ها در دماي كلسيناسيون 1250 درجه‌سانتي‌گراد مي‌شود. نتايج طيف‌ سنجي امپدانس الكتروشيميايي نيز نشان داد افزودن روي - چه به صورت آلايندۀ ساختار و چه به صورت فاز ناخالصي - باعث افت عملكرد الكتروشيميايي در دماي اتاق مي‌شود.

1403/10/08

The Effect of Zn Doping on the Microstructure and Electrical Properties of SrTiO3 Bodies

10/5/2025 12:00:00 AM

The non-renewable and polluting nature of fossil fuels may create an energy power crisis in the future. Solid oxide fuel cells (SOFC) are one of the most efficient technologies to address this challenge in the energy industry. The anode, as one of the key components of the solid oxide fuel cell, plays a crucial role in its performance. Strontium titanate perovskite is one of the most important materials widely used as the anode in SOFCs. Doping and optimizing the calcination conditions are two critical approaches for improving anode performance in SOFCs. Among various elements, zinc has received less attention from researchers. In this study, strontium titanate precursor was synthesized via the sol-gel method. The dried gel was calcined at seven different temperatures: 550°C, 700°C, 900°C, 1000°C, 1050°C, 1100°C, and 1150°C, and an optimal calcination temperature was selected. In the next step, the calcined sample at the optimal temperature was impregnated with a zinc nitrate solution, and after drying, it underwent calcination at 1250°C. During this calcination step, the dwell time was chosen as a variable with three values of one, two, and four hours. Phase analysis and the examination of phase and chemical transformations were carried out using X-ray diffraction (XRD) and differential thermal and thermogravimetric analyses (DTA and TGA). The microstructure of zinc-doped samples and their comparison with reference samples were investigated using scanning electron microscopy (SEM). Finally, the electrochemical performance of some samples was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). According to the XRD results, 1150°C is the optimal temperature for the initial calcination of the gel to form the desired crystalline phase. It was also found that the incorporation of zinc into the strontium titanate structure is highly dependent on the calcination time, as zinc doping did not occur at dwell times of one and two hours, and the evidence pointed to doping only at a four-hour dwell time. Additionally, the incorporation of zinc into the perovskite structure prevents excessive grain growth at a calcination temperature of 1250°C. The EIS results also showed that the addition of zinc, whether as a dopant in the structure or as an impurity phase, leads to a decrease in electrochemical performance at room temperature.

پيل سوختي اكسيد جامد , پروسكايت تيتانات استرانسيم , آلايش با روي

Solid Oxide Fuel Cell , Strontium Titanate Perovskite , Zinc Doping

Nima Nazerian

Mahdi Darab