Russian Journal of Applied ChemistryRussian Journal of Applied ChemistryЖурнал прикладной химии0044-46183034-5545The Russian Academy of Sciences69816710.31857/S0044461825090053Неорганический синтез и технология неорганических производствResearch ArticleSRAVNITEL'NOE ISSLEDOVANIE SVOYSTV KSEROGELEY, NANOPOROShKOV I KERAMIChESKIKh MATERIALOV V SISTEME CeO2–Dy2O3, POLUChENNYKh METODAMI SOVMESTNOGO OSAZhDENIYa V LABORATORNOY USTANOVKE I SOOSAZhDENIYa V MIKROREAKTORE SO VSTREChNYMI ZAKRUChENNYMI POTOKAMIСРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КСЕРОГЕЛЕЙ, НАНОПОРОШКОВ И КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ CeO2–Dy2O3, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ СОВМЕСТНОГО ОСАЖДЕНИЯ В ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ И СООСАЖДЕНИЯ В МИКРОРЕАКТОРЕ СО ВСТРЕЧНЫМИ ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ3286-4972KalininaM. VКалининаМ. В

к.х.н.

sergey_mjakin@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-7608-9115MakushevaI. VМакушеваИ. Вsergey_mjakin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8364-6971MyakinS. VМякинС. В

к.х.н., доцент

sergey_mjakin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4302-3520KhamovaT. VХамоваТ. В

к.х.н.

sergey_mjakin@mail.ru3223-0165SokolovA. EСоколовА. Е

к.ф.-м.н.

sergey_mjakin@mail.ruFarafonovN. VФарафоновН. Вsergey_mjakin@mail.ruLoktyushkinN. RЛоктюшкинН. Рsergey_mjakin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3571-5770AbievR. ShАбиевР. Ш

д.т.н., проф.

sergey_mjakin@mail.ruНИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — ИХССанкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)Институт аналитического приборостроения РАН151120259811-12VOL 98, NO11-12 (2025)ТОМ 98, №11-12 (2025)60962008122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://snv63.ru/0044-4618/article/view/698167

Двумя методами жидкофазного синтеза — методом совместного осаждения гидроксидов в лабораторной установке с магнитной мешалкой и методом быстрого совместного осаждения гидроксидов в микрореакторе со встречными закрученными потоками синтезированы высокодисперсные метопористые порошки состава (CeO2)1-x(Dy2O3)x (x = 0.05, 0.10, 0.15. 0.20), обладающие удельным объемом пор 0.022–0.084 см3·г−1 и удельной площадью поверхности 23.71–66.32 м2·г−1. На их основе получены керамические напоматериалы заданного состава, представляющие собой кубические твердые растворы типа флюорита с ОКР ~ 44–76 нм, с открытой пористостью в интервале 3–14%, высокими значениями кажущейся плотности 5.87–7.24 г·см−3. Выявлено существенное влияние условий проведения синтеза на физико-химические свойства керамических электролитных материалов. Показано, что спекающая добавка ZnO для керамики, полученной двумя разными методами синтеза, влияет на открытую пористость и плотность по-разному: в случае использования метода синтеза в микрореакторе со встречными закрученными потоками (расход 1.5 л·мин−1) открытая пористость уменьшилась в 2–5 раз, плотность увеличилась незначительно. Однако для образцов, синтезированных методом соосаждения гидроксидов в лабораторной установке, пористость снизилась в 2 раза, что доказывает избирательное влияние спекающих добавок. По своим физико-химическим свойствам (плотность, пористость, коэффициент термического расширения) полученные керамические материалы перспективны в качестве твердооксидных электролитов среднетемпературных топливных элементов.

Двумя методами жидкофазного синтеза — методом совместного осаждения гидроксидов в лабораторной установке с магнитной мешалкой и методом быстрого совместного осаждения гидроксидов в микрореакторе со встречными закрученными потоками синтезированы высокодисперсные метопористые порошки состава (CeO2)1-x(Dy2O3)x (x = 0.05, 0.10, 0.15. 0.20), обладающие удельным объемом пор 0.022–0.084 см3·г−1 и удельной площадью поверхности 23.71–66.32 м2·г−1. На их основе получены керамические напоматериалы заданного состава, представляющие собой кубические твердые растворы типа флюорита с ОКР ~ 44–76 нм, с открытой пористостью в интервале 3–14%, высокими значениями кажущейся плотности 5.87–7.24 г·см−3. Выявлено существенное влияние условий проведения синтеза на физико-химические свойства керамических электролитных материалов. Показано, что спекающая добавка ZnO для керамики, полученной двумя разными методами синтеза, влияет на открытую пористость и плотность по-разному: в случае использования метода синтеза в микрореакторе со встречными закрученными потоками (расход 1.5 л·мин−1) открытая пористость уменьшилась в 2–5 раз, плотность увеличилась незначительно. Однако для образцов, синтезированных методом соосаждения гидроксидов в лабораторной установке, пористость снизилась в 2 раза, что доказывает избирательное влияние спекающих добавок. По своим физико-химическим свойствам (плотность, пористость, коэффициент термического расширения) полученные керамические материалы перспективны в качестве твердооксидных электролитов среднетемпературных топливных элементов.

соосаждение гидроксидовмикрореактор со встречными закрученными потокаминанокерамикаэлектролитные материалыРабота выполнена в рамках госзадания НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — ИХС (номер госрегистрации темы 0081-2022-0007)Моотта С. Е., Grodsky S. M., Rupp S. Renewable Energy and Wildlife Conservation. Johns Hopkins University Press, 2019. 279 p.Gandia L. M., Arzamedi G. Renewable hydrogen technologies: Production, purification, storage, applications and safety. Elsevier, 2013. 472 p.Dicks A., Rand D. A. J. Fuel cell systems explained. Wiley, 2018. 460 p.Tiwari G. N., Mishra R. K. Advanced renewable energy sources. RSC Publ., Cambridge, 2012. 562 p.Азxacos A. E. Возобновляемая энергетика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 256 с.Mudryk K., Werle S. Renewable energy sources: Engineering, technology, innovation, Springer Int. Publ., 2018. 834 p.Яштуков Н. А., Лебедева М. В. Водородная энергетика возобновляемых источников тока // Рос. технол. журн. 2017. Т. 5. № 3. С. 58–73. ID 29715682.Hussai S., Yangping L. Review of solid oxide fuel cell materials: Cathode, anode, and electrolyte // Energy Transitions. 2020. N 4. P. 113–126.Mahato N., Banerjee A., Gupta A., Omar S., Balani K. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review // Progress Mater. Sci. 2015. N 72. P. 141–337.Trovarelli A. Bernal catalysis by ceria and related materials // Catal. Sci. Ser. L.: Imperial College Press, 2002. V. 2. 528 p.Кузнецова Т. Г., Садыков В. А. Особенности дефектной структуры метастабильных наподисперсных диоксидов церия и циркония и материалов на их основе // Кинетика и каталия. 2008. Т. 49. № 6. С. 886–905. ID 11617843.Fathy A., Wagih A., Abu-Oqail A. Effect of ZrO2 content on properties of Cu-ZrO2 nanocomposites synthesized by optimized high energy ball milling // Ceram. Int. 2019. V. 45. N 2. P. 2319–2329.Li Z., He Q., Xia L., Xu Q., Cheng C., Wang J., Ni M. Effects of cathode thickness and microstructural properties on the performance of protonic ceramic fuel cell (PCFC): A 3D modelling study // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. N 6. P. 4047–4061.Хасанов О. Л., Данил З. С., Бикбаев З. Г. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий. Изд-во Том. политехн. ун-та, 2008. 212 с. ISBN 978-5-93208-750-3Rempel A. A., Gusev A. I. Nanocrystalline Materials. Cambridge Int. Sci. Publ., 2004. 351 p. ISBN: 978-1-898326-26-7Kalinina M. V., Dyuskin D. A., Myakin S. V., Kruchinina I. Yu., Shilova O. A. Comparative study of physicochemical properties of finely dispersed powders and ceramics in the systems CeO2–Sm2O3 and CeO2–Nd2O3 as electrolyte materials for medium temperature fuel cells // Ceramics. 2023. V. 6. N 2. P. 1210–1226.Kalinina M. V., Polyakova I. G., Myakin S. V., Khanova T. V., Efimova L. N., Kruchinina I. Yu. Synthesis and study of electrolyte and electrode materials in the CeO2–Nd2O3 and Gd2O3–La2O3–SrO–Ni(Co)2O3-s systems for medium-temperature fuel cells // Glass Phys. Chem. 2024. V. 50. N 1. P. 69–87.Проскурина О. В., Соколова А. Н., Сироткин А. А., Абцев Р. Ш., Гусаров В. В. Роль условий соседнего личного водоизолятора в формировании нанокрысталлического BiFeO3 // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 2. С. 160–167. ID 44494814.Абцев Р. Ш., Проскурина О. В., Еникова М. О., Гусаров В. В. Влияние гидродинамических условий в микрореакторе со сталкивающимися струями на формирование наночастиц на основе сложных оксидов // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. № 1. С. 16–33. ID 44492507.Абцев Р. Ш., Здрасков А. В., Кубрянова Ю. С., Александров А. А., Кузнецов С. В., Федоров П. П. Синтез наноразмерных частиц фторида кальция в микрореакторе с интенсивно закрученными потоками // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 7. С. 929–934. ID 45794951.Abiev R. S., Kudryashova A. K. Study of micromixing in a microreactor with counter-current intensively swirled flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2024. V. 58. N 4. P. 1082–1097.Duran P., Villegas M., Capel F., Recio P., Moure C. Low temperature sintering and microstructural development of nano scale Y-TZP ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 1996. V. 16. P. 945–952.ГОСТ 473.4–81. Изделия химически стойкие и термостойкие керамические. Метод определения кажущейся плотности и кажущейся пористости. Государственный стандарт СССР. М.: Изд-во стандартов, 1981. 32 с.Jud E., Gauckler L.-J. The effect of cobalt oxide addition on the conductivity of Ce0.9Gd0.1O1.95 // J. Electroceram. 2005. V. 15. P. 159–166.Ярославцев И. Ю., Богданович Н. М., Вдовин Г. К., Демьяненко Т. А., Бронин Д. И., Неулова Л. А. Катоды на основе никелато-ферритов редкоземельных металлов, изготовленные с применением промышленного сырья для твердооксидных толщинных элементов // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 6. С. 611–617. ID 21564503.