Control of oxygen-vacancy concentration in potential SOFC-Anode Sr₂M(Mo,B)O_6-delta double-perovskite materials

Abstract

Kiinteäoksidipolttokenno on polttoaineen kemiallisen energian sähköiseksi energiaksi muuntamiseen tarkoitettu sähkökemiallinen laite. Perinteisiin polttomoottoritekniikoihin verrattuna sillä on useita etuja, tärkeimpänä energiamuunnoksen suuri hyötysuhde. Nykyiset kiinteäoksidipolttokennot toimivat korkeissa lämpötiloissa ja käyttävät polttoaineena vetyä, mutta kehitystyön tavoitteena on madaltaa niiden käyttölämpötilaa sekä mahdollistaa hiilivety-yhdisteiden käyttö polttoaineena. Polttoaineen hapetuksesta vastaava anodi-elektrodi on keskeisessä asemassa molempia näitä tarpeita ajatellen. Näin ollen on olemassa tarve uusille alhaisissa lämpötiloissa hiilivetyjä käyttäville anodimateriaaleille.

Tämän diplomityön kirjallisuusosa käsittelee kiinteäoksidipolttokennojen ominaisuuksia, painottaen anodi-elektrodien osuutta. Työssä tarkastellaan perinteisiä Ni -pohjaisia anodeja sekä useita uusia anodimateriaaleja. Uusista materiaaleista yksi lupaavimmista on Sr2MgMoO6-delta.

Diplomityön kokeellisessa osuudessa tutkittiin Sr2MgMoO6-delta -pohjaisten Sr2MMoO6-delta (M = Mg, Cr, Mn, Fe, Co tai Ni) ja Sr2Mg(Mo,B)O6-delta (B = Nb tai W) materiaalien synteesiä ja ominaisuuksia. Erityisesti tarkasteltiin happivakanssikonsentraatiota, sillä se pitkälti määrää materiaalien oleellisimmista ominaisuuksista, kuten sähkönjohtokyvystä. Happistoikiometrian määritystä varten rakennettiin kulometrinen titrauslaitteisto. Alkuaineiden hapetusasteita tutkittiin käyttäen XANES -spektroskopiaa. Lisäksi tarkasteltiin materiaalien stabiilisuutta hapetettaessa tai pelkistettäessä sekä sähkönjohtokykyä.

Kulometrisen titrauksen tulosten havaittiin olevan hyvin toistettavia, mutta niiden oikeellisuutta ei kyetty varmistamaan. Sr2CrMoO6-delta:a lukuun ottamatta kaikki tutkitut materiaalit onnistuttiin valmistamaan faasipuhtaina. 3d-siirtymämetalleja sisältävät Sr2MMoO6-delta -materiaalit kuitenkin hajosivat niitä hapetettaessa tai pelkistettäessä. Sr2MgMoO6-delta ja sen Nb- tai W-substituoidut versiot kestivät hyvin erilaisia hapetus- ja pelkistyskäsittelyjä. Nb- tai W-pitoisuuden kasvun havaittiin kuitenkin pienentävän sekä materiaalien happimäärän muunteluväliä että sähkönjohtokykyä. Kun Nb -pitoisuus Sr2Mg(Mo,Nb)O6-delta:ssa ylitti 40 mol-%, näytteiden käyttäytyminen alkoi poiketa muista materiaaleista. Tämän arveltiin johtuvan Nb-korvauksen aiheuttamasta happivakanssien määrän lisääntymisestä.