научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НАНОПОРОШКА YSZ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСЛОЙНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НАНОПОРОШКА YSZ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСЛОЙНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЕ ХИМИИ, 2014, том 88, № 11, с. 1840-1844

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 544.6.018.42-16

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НАНОПОРОШКА YSZ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСЛОЙНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ © 2014 г. Е. Г. Калинина***, Н. А. Лютягина**

*Российская академия наук, Уральское отделение, Институт электрофизики, Екатеринбург **Уральский федеральный университет, Екатеринбург E-mail: kalinina@iep.uran.ru Поступила в редакцию 25.11.2013 г.

Методами электронной просвечивающей микроскопии, электроакустического анализа исследованы морфология, устойчивость и процесс электрофоретического осаждения суспензий сферических наночастиц ZrO2, стабилизированного Y2O3 (YSZ), со средним геометрическим размером 11 нм на плотную поверхность модельных катодов La0.7Sr0 3MnO3 _ § (LSM). Показано, что оптимальные условия для осаждения достигаются при использовании смешанной дисперсионной среды изопро-панол—ацетилацетон, которая обеспечивает седиментационную устойчивость суспензии и высокое положительное значение Z-потенциала, равное 26 мВ. Методами оптической микроскопии установлено, что при использовании смешанной дисперсионной среды формируется однородное, без трещин покрытие твердого электролита YSZ.

Ключевые слова: электрофоретическое осаждение, наночастицы, седиментационная устойчивость, электрокинетический дзета — потенциал.

Б01: 10.7868/80044453714110119

Оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия широко используется в керамических технологиях и является непревзойденным материалом электролита твердооксидного топливного элемента. Одним из направлений улучшения эксплуатационных характеристик электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) является использование тонких (<10 мкм) газоплотных слоев твердых электролитов, нанесенных на электроды. Этот путь позволяет снизить рабочую температуру до <800°С при одновременном повышении плотности снимаемой мощности [1].

Преимущества, создаваемые переходом к тонким пленкам электролита стимулируют интенсивный поиск методов, позволяющих получать газоплотные тонкие пленки с приемлемой стоимостью в массовом производстве. Для получения тонких керамических покрытий привлекательно выглядит метод электрофоретического осаждения, который интенсивно исследуется, начиная с 1992 года [2]. Разработку ТОТЭ в настоящее время нельзя представить без использования наномате-риалов и нанотехнологий. Одним из важных преимуществ нанопорошков при создании ТОТЭ является возможность формирования тонких пленок твердых электролитов из стабильных коллоидных

суспензий методом электрофоретического осаждения. В этой связи представляется перспективным использование слабо агрегированных нанопорош-ков YSZ, что позволит значительно упростить технологию получения стабильной суспензии для электрофоретического осаждения (ЭФО) [3]. В работах [4—6] авторами разработана и описана технология получения таких нанопорошков.

В литературе в основном внимание уделено водным суспензиям на основе YSZ [2, 7], но вследствие присутствия электролиза, характерного для водной среды, применение водных суспензий для получения пленок ТОТЭ методом ЭФО ограничено, так как в покрытии образуются пузырьки газа, что приводит к образованию неплотных керамических покрытий [8]. По этим причинам целесообразно использовать неводные дисперсионные среды. Немногие работы [2, 9, 10] посвящены исследованию электрокинетических и кислотно-основных свойств в неводных средах, в частности изопропанол и ацетилацетон. Показано, что для увеличения ^-потенциала и, соответственно, дополнительной стабилизации суспензии рекомендуют вводить в нее кислоту, снижая рН и увеличивая концентрацию протонов, либо добавлять в суспензию на основе ацетилаце-тона молекулярный йод, который, реагируя с мо-

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

1841

Рис. 1. Электронная микрофотография и кривая дифференциального числового распределения частиц нанопорошка YSZ, полученная на просвечивающем микроскопе JEOL JEM 2100.

лекулами растворителя, вытесняет из них один или два протона, которые дополнительно адсорбируются на частицах [2, 9]. В литературе известно, что рН среды за счет адсорбции и десорбции протонов [11] на поверхности сильно влияет на значение ее ^-потенциала. Представляло интерес получить зависимости ^-потенциала от рН для суспензий YSZ. Такого рода зависимости представлены в литературе для дисперсий различных твердых частиц в основном в водной среде [11].

В этой связи настоящая работа является продолжением исследований, посвященных получению тонких пленок твердого электролита YSZ методом ЭФО из седиментационно устойчивых неводных суспензий с использованием изопропанола, аце-тилацетона и их смеси. Ниже будут представлены результаты исследования электрокинетических свойств неводных суспензий наночастиц YSZ; закономерности получения покрытия YSZ с применением разных дисперсионных сред.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные материалы

Нанопорошок YSZ, получен в лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН методом испарения — конденсации при нагреве мишени излучением импульсного С02-лазера [3]. Частицы порошка имеют сферическую форму (рис. 1). Среднечисловой диаметр ча-

стиц составил 11 нм. Удельная поверхность YSZ определена методом БЭТ и составила ^уд = 54.6 м2/г. Нанопорошок содержит одну кристаллическую фазу — твердый раствор на основе кубической формы Zr02 с параметрами решетки: а = 5.144(±0.001) А, ОКР = 42(±2) нм. Нанопорошок является термически стабильным при нагреве до температуры спекания и может быть использован в качестве исходного материала для получения тонкослойных электролитов для ТОТЭ.

Как и в работе [12], чтобы исключить влияние особенностей пористой структуры катодов, для проведения ЭФО использовали газоплотные модельные катоды. Газоплотные модельные катоды Ьа1- ^гхМп03- 8 (LSM, х = 0.3) для проведения ЭФО спечены при 1300°С.

Приготовление суспензий для электрокинетических измерений

Суспензии наночастиц концентрацией 20 г/л для измерения ^-потенциала готовили ультразвуковой обработкой (УЗО) в изопропиловом спирте и смеси изопропанол/ацетилацетон (50/50 об. %) с помощью диспергатора УЗГ8-0.4/22 в течение 3 мин. Электрокинетические измерения проводили в объеме суспензии 120 мл в автоматизированном режиме. Суммарная поверхность всех наночастиц YSZ в ячейке в процессе измерения составляла 54.6 м2. Прямое потенциометрическое

1842

КАЛИНИНА, ЛЮТЯГИНА

z, мВ 45

40 35 30 25 20 15 10 5

10

12 pH

Рис. 2. Зависимости Z-потенциала суспензий YSZ: 1 — в изопропиловом спирте и 2 — в смеси изопропанол — ацетилацетон (50:50) от рН по данным электроакустических измерений (DT-300).

титрование суспензии YSZ в изопропиловом спирте и смеси изопропанол/ацетилацетон концентрацией 20 г/л проводили щелочью 0.15 н. КОН. Все измерения для суспензий проводили в изотермических условиях на воздухе при 298 К.

Электрофоретическое осаждение

Для проведения ЭФО готовили устойчивые суспензии нанопорошка YSZ в изопропиловом спирте ("ос.ч."), ацетилацетоне ("ч.д.а.") и их смеси с добавлением полимерного модификатора БМК-5 (сополимер бутилметакрилата с 5% мета-криловой кислоты, молекулярной массой 3.1 х 105), концентрацией 1 г/л. ЭФО проводили на компьютеризированной установке, обеспечивающей режим стабилизации напряжения. Для получения однородного покрытия без трещин использовали режим осаждения при постоянном напряжении 150 В и времени осаждения 1—5 мин.

Параметры ЭФО YSZ-суспензии (1 г/л, 150 В/см, 5 мин) на LSM-подложку при 25°C

Среда 4ач ЭФО, мА/см2 4он ЭФО, мА/см2 m '"осадка* мг/см2

Изопропанол 0.35 ± 0.01 0.36 ± 0.01 1.3 ± 0.1

Ацетилацетон 1.40 ± 0.01 0.84 ± 0.01 2.9 ± 0.1

Изопропанол/ацетилацетон 1 : 1 1.30 ± 0.01 1.27 ± 0.01 1.5 ± 0.1

Методики исследования

Электронные микрофотографии получали с помощью трансмиссионного электронного микроскопа JEOL JEM 2100. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре D8 DISCOVER в медном излучении с графитовым монохромато-ром на дифрагированном луче. Обработку выполняли с использованием программы TOPAS-3 с ритвельдовским алгоритмом уточнения структурных параметров. Удельную поверхность определяли объемным вариантом метода БЭТ по низкотемпературной равновесной сорбции паров азота из смеси с гелием на вакуумной сорбционной установке Micromeritics TriStar 3000. Микроскопические исследования проведены с помощью оптического бинокулярного микроскопа ST-VS-520. Электрофоретическое осаждение выполняли на специализированной установке, которая была разработана и изготовлена в лаборатории импульсных процессов ИЭФ УрО РАН. Электрокинетические измерения Z-потенциала электроакустическим методом проводили на анализаторе Dispersion Technology DT-300, включающем автоматическую титровальную установку и зонд для измерения Z-потенциала.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Суспензии при диспергировании в изопропа-ноле и смеси изопропанол/ацетилацетон в отсутствие стабилизаторов и фонового электролита были устойчивыми, не оседающими в течение нескольких суток.

На рис. 2 представлена зависимость Z-потен-циала суспензий YSZ в изопропиловом спирте и в смешанной дисперсионной среде изопропанол — ацетилацетон (50:50) от рН. Исходные суспензии YSZ в изопропиловом спирте характеризуются слабокислой средой (рН 5.0), положительным и достаточно высоким значением Z-потенциала (39 мВ). Исходные суспензии YSZ в смешанной дисперсионной среде характеризуются кислой средой (рН 3.5), положительным и высоким значением ^-потенциала (26 мВ). Из рис. 2 видно, что зависимости имеют однотипный вид: в низких рН Z-потенциал принимает достаточно большие значения, в высоких при дальнейшем титровании 0.15 н. KOH достигает значения равного 10 мВ. В обоих случаях изоэлектрическая точка (ИЭТ) не наблюдается. Различия для суспензий в изо-пропаноле и смешанной дисперсионной среде проявляются в абсолютной величине Z-потенци-ала, который систематически выше для суспензии в изопропаноле. Кривая для суспензий YSZ в изопропиловом спирте лежит выше, чем для суспензий в смешанной

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком