33028

اثر افزودني Zn بر تحولات فازي و ريزساختار پروسكايت BaSrCoFeO3 به عنوان كاتد پيل سوختي اكسيد جامد سنتز شده به روش سل ژل

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي گرايش سراميك

1400

1403/7/14

مهدي داراب،حميدرضا رضايي

ندارد

مهندسي مواد و متالورژي

پيل سوختي اكسيد جامد از پيشنهادهاي جايگزين تأمين انرژي موردنياز براي جوامع آينده است كه مزاياي زيادي را در برابر انرژي‌هاي تجديدناپذير داراست. كاتد پيل سوختي، به دليل آهستگي سينتيك واكنشش، موردتوجه مطالعات قرار گرفته است. پروسكايتBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 كه يكي از نامزدهاي كاتد در اين پيل است، خواص ايده‌آلي را براي دماهاي عملياتي مياني و بالا از خود نشان مي‌دهد. براي بالابردن نرخ واكنش احياي يون اكسيژن، افزايش بهره وري پيل، بهبود پايداري ساختار وكاهش قيمت كاتد، راهكارهاي مختلفي وجود دارد كه يكي از آنها استفاده از افزودني‌هايي در ساختار كاتد است. در اين پژوهش براي بررسي اثر افزودني Zn ، مقادير بهينه 04/0 و 06/0 درصد مولي، يكبار در سايت B (Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xZnxO3) و يك‌بار به‌جاي كبالت (Ba0.5Sr0.5Co0.8-XZnxFe0.2O3) دوپ شده و براي سنتز آن از روش سل ژل پاچيني استفاده گرديده است. با كمك‌گرفتن از آناليز تجزيه حرارتي و كلسينه كردن نمونه‌ها در دو دماي 950 و 1100 درجه سانتيگراد، دماي مناسب كلسيناسيون براي رسيدن به تركيب تك‌فاز تعيين گرديد؛ سپس توسط آناليز پراش پرتو ايكس مشخصه‌يابي فازي صورت گرفت كه نتايج به‌دست‌آمده تركيب تك‌فاز با ساختار پروسكايت مكعبي دلخواه را نمايش داد. با مقايسه الگوهاي پراش و حجم سلول‌هاي واحد، مشخص شد افزايش مقدار روي منجر به انبساط بيشتر شبكه شده است. به‌منظور بررسي استوكيومتري تركيب سنتز شده و بررسي توزيع عنصري در نمونه نيز از آناليز EDS و MAP كمك گرفته شد، نهايتاً مطالعات ريزساختاري و تعيين اندازه دانه نمونه‌ها و مقايسه مورفولوژي دانه‌ها توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي مطالعه و بررسي گرديد. در اين بررسي‌ها ريزساختار نمونه‌هاي دوپ شده داراي سطح ويژه بالا و ساختار لايه‌اي بوده است و با افزايش درصد روي اندازه دانه‌ها كاهش‌يافته است. در نمونه 0.04 درصد مولي روي دوپ شده به‌جاي كبالت، ريزساختار آن ايزوتروپ رشته‌اي ايجاد شده كه خواص مناسبي را براي انتقال و نفوذ و احيا اكسيژن در كاتد ايجاد مي‌كند. در نهايت مي‌توان گفت نمونه 0.04 و 0.06 درصد مولي روي دوپ شده در سايت B، با ساختار پروسكايت مكعبي تك‌فاز و ريزساختار لايه‌اي، انتخاب مناسبي براي كاتد پيل سوختي اكسيد جامد است. نمونه 0.04 درصد مولي روي دوپ شده به‌جاي كبالت نيز ريزساختار و ساختاري مطابق با خواص مدنظر كاتد دارد. باتوجه‌به اندازه ذرات سنتز شده و ريزساختار موردنياز مي‌توان يكي از اين سه گزينه را براي دوپ بهينه كاتد، جهت پايداري ساختاري، كاهش قيمت، بهبود هدايت يوني و افزايش تهي جاي‌ها و در نتيجه بهبود عملكرد كاتد، انتخاب كرد.

1403/11/11

The effect of zinc addition on phase transformations and microstructure of perovskite as BaSrCoFeO3 solid oxide fuel cell cathode synthesized by sol-gel method

10/5/2025 12:00:00 AM

A solid oxide fuel cell is one of the proposed alternatives for providing energy to future societies, offering many advantages over non-renewable energy sources. The cathode, due to the slow kinetics of its processes, has attracted considerable attention in studies. The perovskite Ba₀. ₅Sr₀. ₅Co₀. ₈Fe₀. ₂O₃ is a candidate for the cathode in this system, exhibiting ideal properties for mid-range operational temperatures. There are various approaches to increase the oxygen ion reduction reaction rate, improve fuel cell efficiency, enhance structural stability, and reduce cathode costs. One such approach is the use of additives in the cathode structure. In this research, to examine the effect of zinc additives, optimal amounts of 0.04 and 0.06 molar percentages were doped once in the B-site (Ba₀. ₅Sr₀. ₅ (Co₀. ₈Fe₀. ₂) ₁₋ₓZnₓO₃) and once in place of cobalt (Ba₀. ₅Sr₀. ₅Co₀. ₈₋ₓZnₓFe₀. ₂O₃) , and the sol-gel Pechini method was used for synthesis. Using thermal analysis (DTA/TG) and calcining the samples at two temperatures, 950°C and 1100°C, the appropriate calcination temperature for obtaining the single-phase composition was determined. Phase characterization was then performed using X-ray diffraction (XRD) analysis, which showed a single-phase composition with the desired cubic perovskite structure. Comparing the diffraction patterns and unit cell volumes indicated that increasing the zinc content leads to greater lattice expansion. To assess the effect of zinc on conductivity and fuel cell performance, the cathode was placed in a half-cell with GDC electrolyte, and polarization resistance was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Finally, microstructural studies and grain size determination of the samples were carried out using scanning electron microscopy (SEM).

سنتز پروسكايت , افزودني روي , پيل سوختي اكسيد جامد , كاتد

Perovskite synthesis , solid oxide fuel cell , zinc additive , cathode

fartash farmahin farahani

mahdi darab,hamidreza rezaie