В рамках заявленного проекта предполагается выполнить синтез прекурсоров и, далее, поликристаллической керамики систем Y2O3-CeO2-ZrO2, xTiO2-9CeO2-(91-x)ZrO2, где x=5-20 мол.%, методом криохимического синтеза, включающего стадию лиофильной сушки, предложенной в диссертации О. Ю. Кураповой на примере системы СaO –ZrO2. Методика включает золь-гель синтез в варианте обратного соосаждения из разбавленного раствора солей и последующую дегидратацию полученного геля с помощью лиофильной сушки. Отличительной особенностью такого метода дегидратации является то, что он является чисто физическим и не нарушает исходную структуру образца: лиофильная сушка основана только на сублимации дисперсионной среды (воды) из замороженного образца при переходе твердое тело → газ. Дополнительным преимуществом является то, что при такой сушке не происходит загрязнения образца дополнительными веществами, а побочным продуктом является вода. В связи тем, что лиофильная сушка относится к недеструктивным методам обработки, она широко применяется в биологии, медицине и пищевой промышленности. В работах заявителя лиофильная сушка впервые удачно применена для исследования процессов дегидратации гелей на основе диоксида циркония и получения, таким образом, наноразмерных прекурсоров с низкой степенью агломерации. Для дегидратации гелей будет использовано современное оборудование – лиофильная сушка Labconco Chamber 1l (USA). Как следствие наблюдается изменение кинетики и механизма фазообразования, что приводит к существенному снижению температур образования кубического твердого раствора на основе диоксида циркония, а также стабилизации метастабильных фаз диоксидов циркония и церия, что было показано в работе авторов. Olga Yu. Kurapova, Sergey M. Shugurov, Evgenia A. Vasil’eva, Vladimir G. Konakov and Sergey I. Lopatin Vaporization features of CeO2-ZrO2 solid solutions at high temperature // Journal of Alloys and Compounds 776 (2019)194-201. В данной работе, а также методика была успешно масштабирована на широкий круг систем на основе диоксида циркония и церия.
Для контроля физико-химических свойств наноразмерных прекурсоров и итоговой керамики и будет задействован современный комплекс методов исследования с широким использованием возможностей научно-технического парка СПбГУ, а именно для определения типа и температур фазовых переходов буде использован метод синхронного термического анализа СТА, включающий ДСК/ДТА и ТГ (дериватограф МОМ-3, Netzsch Jupiter STA 449), рентгенофазовый анализ - для определения фазового состава и оценки размеров кристаллитов в наноразмерных прекурсорах и керамике (рентгеновский дифрактометр SHIMADZU XRD-6000. Исследование микроструктуры керамики (размера зерен керамики, распределения примесей), химического состава будет проведено методами СЭМ, энергодисперсионной спектроскопии EDX (Hitachi S-3400N). Температурная зависимость электропроводности керамики на основе стабилизированного диоксида церия будет исследована в интервале температур 500-1000 К методом импедансной спектроскопии. На основании полученных данных будут выделены составляющие, отвечающие объемной проводимости (по зерну) и межзеренной проводимости и построены их температурные зависимости. Для исследования валентного состояния церия в образцах будет использован метод фотоэлектронной спектроскопии (ESCA, Cпектрометр ESCALAB 250Xi).
Ожидаемые результаты научного исследования (расширение теоретических знаний, новые научные данные о процессах, явлениях, закономерностях, существующих в исследуемой области, открытие путей применения новых явлений и закономерностей, теоретическое/методологическое обоснование принципов и путей создания/модернизации объекта исследований или разработки)
Кратко
Будет оптимизирована методика получения наноразмерных прекурсоров для трехкомпонентных систем. Впервые будет предложен твердый электролит на основе диоксида церия, обладающий высокой ионной проводимостью для эффективной работы среднетемпературных ТОТЭ.
Развернуто
В результате выполнения работы впервые будет проведено детальное исследование
взаимосвязи структуры, электропроводности в зависимости от состава твердого раствора трехкомпонентных кислород проводящих керамик на основе систем Y2O3-CeO2-ZrO2, xTiO2-9CeO2-(91-x)ZrO2, где x=5-20 мол.%,. Впервые будут исследованы границы фазовой стабильности и спекаемость твердых электролитов в зависимости от добавки диоксида титана. Методом импедансной спектроскопии будет измерена температурная зависимость проводимости и выделены вклады зерен и межзеренных границ в общую проводимость керамик. В результате будет разработаны твердые электролиты на основе твердых растворов диоксида церия, обладающие высокой проводимостью, также улучшенной стабильностью при умеренных температурах для их практического использования в среднетемпературных ТОТЭ.