Изучение фазовой стабильности оксида La0.6Sr0.4MnO3 – δ СО смешанной кислород-электронной проводимостью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Данная работа посвящена изучению термодинамических характеристик и фазовой стабильности оксидов со структурой перовскита с использованием как классических, так и оригинального методов изучения соединений подобного состава. В качестве объекта исследования был выбран оксид со смешанной кислород-электронной проводимостью La0.6Sr0.4MnO3 – δ, полученный методом твердофазного синтеза. Установлен стехиометрический диапазон данного состава при температурах 600–900 оС в области парциального давления кислорода до 3·10–4 атм. Рассчитан химический потенциал кислорода в газовой фазе, а также зависимости парциальной молярной энтальпии и энтропии кислорода в оксиде в области нестехиометрии δ = 0.01–0.012.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Д. Гуськов

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rostislav.guskov@yandex.ru
Россия, Новосибирск

М. П. Попов

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: rostislav.guskov@yandex.ru
Россия, Новосибирск

И. В. Ковалев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: rostislav.guskov@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. П. Немудрый

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: rostislav.guskov@yandex.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. McCormack, M., Jin, S., Teifel, T. H., Fleminf, R. M., Philips, J. M., and Ramwsh, R., Very large magnetoresistance in perovskite‐like La‐Ca‐Mn‐O thin films, Appl. Phys. Lett., 1994, vol. 64, no. 22, p. 3045.
  2. Теплых, А.Е., Пирогов, А.Н., Меньшиков, А.З., Базуев, Г.В. Кристаллическая структура и магнитное состояние перовскитов LaMn1–xVxO3. Физика твердого тела. 2000. Т. 42. № 12. С. 2175. [Teplikh, A.E., Pirogov, A.N., Men’shikov, A.Z., and Bazuev, G. V., Crystal structure and magnetic state of perovskites LaMn1–xVxO3, Phizika tvyordogo tela (in Russian), 2000, vol. 42, p. 2175.]
  3. Lein, H.L., et al., Mechanical properties of mixed conducting La0.5Sr0.5Fe1 – xCoxO3 – δ (0≤x≤1) materials, J. Solid State Electrochem., 2006, vol. 10, p. 635.
  4. Смоликов, Ю.И., Шепелев, Ю.Ф., Левин, А.А. Особенности строения высокотемпературных сверхпроводников. Журн. неорган. химии. 1989. Т. 34. С. 2451. [Smolikov, Yu. I., Shepelev, Yu. F., and Levin, A.A., Structural features of high-temperature superconductors, Zhurnal neorganicheskoy khimii (in Russian), 1989, vol. 34, p. 2451.]
  5. Kharton, V. V., Patrakeev, M. V., Waerenborgh, J.C., Sobyanin, V. A., Veniaminov, S. A., Yaremchenko, A.A., Gaczynski, P., Belyaev, V. D., Semin, G. L., and Frade, J. R., Methane oxidation over perovskite-related ferrites: Effects of oxygen nonstoichiometry, Solid State Sci., 2005, vol. 7, no. 11, p. 1344.
  6. Medvedev, D.A., et al., Advanced materials for SOFC application: Strategies for the development of highly conductive and stable solid oxide proton electrolytes, Prog. Mater. Sci., 2016, vol. 75, p. 38.
  7. Fan, L., Zhu, B., Su, P. C., and He, C., Nanomaterials and technologies for low temperature solid oxide fuel cells: recent advances, challenges and opportunities, Nano Energy, 2018, vol. 45, p. 148.
  8. Arakawa, T., Kurachi, H., and Shiokawa, J., Physicochemical properties of rare earth perovskite oxides used as gas sensor material, J. Mater. Sci., 1985, vol. 20, no. 4, p. 1207.
  9. Shimizu, Y., et al., Enhancement of humidity sensitivity for perovskite-type oxides having semiconductivity, Chem. Lett., 1985, vol. 14, no. 7, p. 917.
  10. Liu, S. and Gavalas, G. R., Oxygen selective ceramic hollow fiber membranes, J. Membr. Sci., 2005, vol. 246, no. 1, p. 103.
  11. Shimizu, Y., Shimabukuro, M., Arai, H., and Seiyama, T., Hollow fibre perovskite membranes for oxygen separation, J. Membr. Sci., 2005, vol. 258, no. 1–2, p. 1.
  12. Wang, H.H., Tablet, C., Schiestel, T., Werth, S., and Caro, J., Partial oxidation of methane to syngas in a perovskite hollow fiber membrane reactor, Catal. Commun., 2006, vol. 7, p. 907.
  13. Teraoka, Y., Zhang, H. M., Furukawa, S., and Yamazoe, N., Oxygen permeation through perovskite-type oxides, Chem. Lett., 1985, p. 1743.
  14. Tikhonovich, V. N., Zharkovskaya, O. M., Naumovich, E. N., Bashmakov, I. A., Kharton, V. V., and Vecher, A.A., Oxygen nonstoichiometry of Sr(Co, Fe)O3 – δ based perovskites: I. Coulometric titration of SrCo0.85Fe0.10Cr0.05O3 – δ by the two-electrode technique, Solid State Ion., 2003, vol. 160, p. 259.
  15. Kharton, V. V., Kovalevsky, A. V., Tsipis, E. V., Viskup, A. P., Naumovich, E. N., Jurado, J. R., and Frade, J.R., Mixed conductivity and stability of A-sitedeficient Sr(Fe, Ti)O3 – δ perovskites, J. Solid State Electrochem., 2002, vol. 7, p. 30.
  16. Lu, H., Son, S. H., Kim, J. P., and Park, J. H., A Fe/Nb co-doped Sr(Co0.8Fe0.1Nb0.1) O3 – δ perovskite oxide for air separation: Structural, sintering and oxygen permeating properties, Mater. Lett., 2011, vol. 65, p. 702.
  17. Karen, P., Nonstoichiometry in oxides and its control, J. Solid State Chem., 2006, vol. 179, no. 10, p. 3167.
  18. Liu, L. M., Lee, T. H., Qiu, L., Yang, Y. L., and Jacobson, A. J., A thermogravimetic study of the phase diagram of strontium cobalt iron oxide SrCo0.8Fe0.2O3 – δ, Mater. Res. Bull, 1996, vol. 31, p. 29.
  19. Patrakeev, M. V., Leonidov, I. A., and Kozhevnikov, V.L., Applications of coulometric titration for studies of oxygen non-stoichiometry in oxides, J. Solid State Electrochem., 2011, vol. 15, p. 931.
  20. McIntosh, S., Vente, J. F., Haije, W. G., Blank, D. H. A., and Bouwmeester, H. J. M., Oxygen stoichiometry and chemical expansion of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δ measured by in situ neutron diffraction, Chem. Mater., 2006, vol. 18, p. 2187.
  21. Захарчук, Н. Ф., Федина, Т. П., Борисова, Н.С. Определение кислорода в ВТСП материалах методом йодометрии. Новые возможности и перспективы метода. Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1991. Т. 45. № 7. С. 1391. [Zakharchuk, N. F., Fedina, T. P., and Borisova, N. S., Determination of oxygen in HTS materials by iodometry. New opportunities and prospects of the method, Sverkhprovodimost’: phisica, khimiya, tekhnica (in Russian), 1991, vol. 45, no. 7, p. 1391.]
  22. Liu, L., Dong, C., Zhang, J., Chen, H., & Chen, L., A simple volumetric method for oxygen content determination in high-Tc doped YBCO compositions, Physica C: Superconductivity, 2002, vol. 383, no. 1–2, p. 17.
  23. Jonker, G. H. and Van Santen, J. H., Ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure, Physica, 1950, vol. 16, no. 3, p. 337.
  24. Van Santen, J. H. and Jonker, G. H., Electrical conductivity of ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure, Physica, 1950, vol. 16, no. 7, p. 599.
  25. Wollan, E. O. and Koehler, W. C., Neutron diffraction study of the magnetic properties of the series of perovskite-type Compounds [(1–x)La, xCa]MnO3, Phys. rev., 1955, vol. 100, no. 2, p. 545.
  26. Matsumoto, G., Study of (La1–xCax)MnO3. I. Magnetic Structure of LaMnO3, J. Phys. Soc. Japan, 1970, vol. 29, no. 3, p. 606.
  27. Tanaka, J., Umehara, M., Tamura, S., Tsukioka, M., & Ehara, S., Study on Electric Resistivity and Thermoelectric Power in (La0.8Ca0.2) MnO3–y, J. Phys. Soc. Japan, 1982, vol. 51, no. 4, p. 1236.
  28. Kuo, J. H., Anderson, H. U., and Sparlin, D. M., Oxidation-reduction behavior of undoped and Sr-doped LaMnO3 nonstoichiometry and defect structure, J. Solid State Chem., 1989, vol. 83, no. 1, p. 52.
  29. Kuo, J. H., Anderson, H. U., and Sparlin, D. M., Oxidation-reduction behavior of undoped and Sr-doped LaMnO3: Defect structure, electrical conductivity, and thermoelectric power, J. Solid State Chem., 1990, vol. 87, no. 1, p. 55.
  30. Попов, М.П., Старков, И.А., Чижик, С.А., Бычков, С.Ф., Немудрый, А.П. Кислородный обмен в нестехиометрических оксидах со смешанной проводимостью: новые экспериментальные методики и методология получения/анализа равновесных и кинетических данных, Новосибирск: Изд-во Сиб. отд. РАН, 2019. 135 с. [Popov, M. P., Starkov, I. A., Chizhik, S. A., Bychkov, S. F., and Nemudry, A. P., Oxygen exchange in nonstoichiometric oxides with mixed conductivity: new experimental techniques and methodology for obtaining/analyzing equilibrium and kinetic data, Novosibirsk: Izdatel’stvo Sibirskogo Otdeleniya RAN, 2019. 135 p.]
  31. Urushibara, A., Moritomo, Y., Arima, T., Asamitsu, A., Kido, G., and Tokura, Y., Insulator-metal transition and giant magnetoresistance in La1–xSrxMnO3, Phys. rev. B, 1995, vol. 51, no. 20, p. 103.
  32. Mizusaki, J. and Tagawa, H., Nonstoichiometry and thermochemical stability of the perovskite-type Lal - xSrxMnO3 - δ, Solid State Ion, 1991, vol. 49, p. 111.
  33. Lankhorst, M. H. R., Bouwmeester, H. J. M., and Verweij, H., High-temperature coulometric titration of La1–xSrxCoO3–δ: evidence for the effect of electronic band structure on nonstoichiometry behavior, J. Solid State Chem., 1997, vol. 133, no. 2, p. 555.
  34. Aksenova, T.V., Urusova, A.S., and Cherepanov V.A., Phase equilibria and structure of complex oxides in the 1/2 Nd2O3–CaO–COO system in air at 1373 K, Russ. J. Phys. Chem., 2020, vol. 94, no. 12, p. 2495.
  35. Grunbaum, N., Mogni, L., Prado, F., and Caneiro, A., Phase equilibrium and electrical conductivity of SrCo0.8Fe0.2O3–δ, J. Solid State Chem., 2004, vol. 177, p. 2350.
  36. Nadeev, A.N., Tsybulya, S.V., Belyaev, V.D., Yakovleva, I.S., and Isupova, L.A., Weakly bound oxygen and its role in stability of solid solutions La1–xSrxFeO3–δ, J. Struct. Chem., 2008, vol. 49, no. 6, p. 1077.
  37. Arai, H., Yamada, T., Eguchi, K., and Seiyama, T., Catalytic combustion of methane over various perovskite-type oxides, Appl. Catal., 1986, vol. 26, p. 265.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема установки для измерения зависимостей парциального давления кислорода от нестехиометрии оксидов со смешанной кислород-электронной проводимостью.

Скачать (91KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограмма состава La0.6Sr0.4MnO3-δ, полученная при комнатной температуре, рассчитанная по методу Ритвельда.

Скачать (96KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Термогравиметрические кривые состава La0.6Sr0.4MnO3-δ (синей линией обозначено первичное охлаждение, красной – вторичный нагрев); данные дифференциальной сканирующей калориметрии (пунктирные линии: синяя – данные теплового потока при охлаждении, красная – при нагревании).

Скачать (102KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости нестехиометрии состава La0.6Sr0.4MnO3 – δ от парциального давления кислорода при разных температурах; данные термогравиметрического анализа при pO2 = 0.2 атм; литературные данные Mizusaki et. al. [32].

Скачать (154KB)
Метаданные
6. Рис. 5. 3D-Зависимости нестехиометрии состава La0.6Sr0.4MnO3 – δ от парциального давления кислорода при разных температурах; фиолетовыми кубами обозначены точки границы области с интенсивным выделением слабосвязанного кислорода, область выделена зеленым цветом.

Скачать (115KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Термодинамические факторы TFO (а) и TFV (б), полученные из равновесных изотермических симостей lg pO2–3 - δ – T.

Скачать (110KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Cтехиометрия оксида LSM как функция от химического потенциала кислорода в оксиде. Пунктирной линией обозначена изостехиометрическая область (δ = 0.01–0.012) состава при разных температурах.

Скачать (109KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости парциальной молярной энтальпии (H(δ)) и энтропии (S(δ)) кислорода в оксиде LSM от его стехиометрии в изостехиометрическом диапазоне δ = 0.01–0.012.

Скачать (111KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024