09

Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (1), 65–79

Equilibrium of intrinsic and impurity point defects in Ca-doped Sm₂Zr₂O₇

Vladimir A. Vorotnikov – Institute of Chemistry and Ecology, Vyatka State University, Kirov; Institute of Solid-State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia
Semyon A. Belyakov – Institute of High-Temperature Electrochemistry UB RAS, Yekaterinburg, Russia
Alexey V. Ivanov – Institute of Chemistry and Ecology, Vyatka State University, Kirov; Institute of Solid-State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia
Yulia V. Novikova – Institute of High-Temperature Electrochemistry UB RAS, Yekaterinburg, Russia
Anna Yu. Stroeva – Institute of Chemistry and Ecology, Vyatka State University, Kirov, Russia
Vadim V. Grebenev – Shubnikov Institute of Crystallography of Federal Scientific Research Centre “Crystallography and Photonics” of the RAS, Moscow, Russia
Dmitry N. Khmelenin – Shubnikov Institute of Crystallography of Federal Scientific Research Centre “Crystallography and Photonics” of the RAS, Moscow, Russia
Olga V. Emelyanova – Shubnikov Institute of Crystallography of Federal Scientific Research Centre “Crystallography and Photonics” of the RAS, Moscow, Russia
Maksim S. Plekhanov – Institute of Crystallography, RWTH Aachen University, Aachen, Germany
Anton V. Kuzmin – Institute of Chemistry and Ecology, Vyatka State University, Kirov; Institute of Solid-State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia

Corresponding author: Anton V. Kuzmin, a.v.kuzmin@yandex.ru

PACS 82.45.Gj, 82.33.Pt

DOI 10.17586/2220-8054-2024-15-1-65-79

ABSTRACT In this work, a doping strategy was used to achieve a good conductivity in samarium zirconate which crystallizes in the pyrochlore. The production of nanopowders made it possible to form high-density ceramics with an optimal microstructure. It is shown that intrinsic and impurity defects coexist in Sm_2-xCa_xZr₂O_7-δ, impairing ion transport at high doping levels. Despite this, Sm_1.95Ca_0.05Zr₂O_7-δ maintains low activation energy of the parent and has good ionic conductivity (10^-3 S·cm^-1 at 600 °C) which is one of the largest among oxide pyrochlores. It has been shown to have a good chemical stability. The material has a thermal expansion coefficient (TEC) of 12 ppm K^-1 which is higher than YSZ and provides better compatibility with electrode materials. The above makes it possible to successfully use it as a highly stable oxygen electrolyte or an intermediate thin layer at the electrolyte-electrode interface in electrochemical devices.

KEYWORDS solid oxide electrolyte, pyrochlores, grain boundary conductivity, nanoscale powders, combustion method

ACKNOWLEDGEMENTS The research was partially supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 22-23-01121).

FOR CITATION Vorotnikov V.A., Belyakov S.A., Ivanov A.V., Novikova Yu.V., Stroeva A.Yu., Grebenev V.V., Khmelenin D.N., Emelyanova O.V., Plekhanov M.S., Kuzmin A.V. Equilibrium of intrinsic and impurity point defects in Ca-doped Sm2Zr2O7. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (1), 65–79.

Download

15-1-65-79r-Supplementary material

[In Russian] В.А. Воротников, С.А. Беляков, А.В. Иванов, Ю.В. Новикова, А.Ю. Строева, В.В. Гребенев, Д.Н. Хмеленин, О.В. Емельянова, М.С. Плеханов, А.В. Кузьмин

Равновесие собственных и примесных точечных дефектов в кальций-допированном Sm₂Zr₂O₇

УДК 544.6.018.462.2

АННОТАЦИЯ В данной работе для достижения хорошей проводимости цирконата самария со структурой пирохлора использован подход допирования. Полученные наноразмерные порошки были спечены в высокоплотную керамику. Показано, что в Sm_2-xCa_xZr₂O_7-δ присутствуют как собственные, так и примесные дефекты, блокируя перенос ионов при высоких степенях добавки. Несмотря на это, Sm_1.95Ca_0.05Zr₂O_7-δ сохраняет низкую энергию активации как у недопированного материала и обладает хорошей ионной проводимостью (10^-3 S·см^-1 при 600 °C), которая является одной из самых высоких среди пирохлоров. Было доказано, что данный состав обладает хорошей химической стабильностью. Материал имеет коэффициент теплового расширения около 12·10^-6 K^-1, который выше, чем у YSZ, что обеспечивает лучшую совместимость с электродными материалами. Все вышесказанное позволяет рекомендовать данный состав в качестве высокостабильного кислородного электролита или промежуточного тонкого слоя на границе раздела электролит-электрод в электрохимических устройствах.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА твердооксидный электролит, пирохлоры, гранично-зеренная проводимость, нанопорошки, метод сжигания