Cel naukowy projektu


Celem rozprawy doktorskiej jest opracowanie nowych materiałów katodowych oraz anodowych dla zastosowania w stałotlenkowych ogniwach paliwowych typu IT-SOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells), pracujących w obniżonych temperaturach (600-800 oC) i zasilanych gazem syntezowym. Otrzymanie i optymalizacja tych materiałów stanowią będą podstawą do dalszego rozwoju technologii IT-SOFC, co w przyszłości pozwoli na szeroką jej komercjalizację. Badanie naukowe prowadzone w ramach pracy doktorskiej obejmują: badania składu fazowego, struktury krystalicznej, niestechiometrii tlenowej, właściwości transportowych (mieszane przewodnictwo jonowo-elektronowe, efekt Seebecka), określenie wspóczynników transportu jonów tlenu (wspóczynnik dyfuzji chemicznej tlenu, stała wymiany powierzchniowej) oraz pomiary wspóczynnika rozszerzalności cieplnej proponowanych materiałów elektrodowych. Celem tych badań jest znalezienie korelacji między właściwościami fizykochemicznymi badanych materiałów a efektywnością ich pracy, determinującą wydajność elektrochemiczną ogniw IT-SOFC zasilanych gazem syntezowym. W przypadku materiałów katodowych, proponowane nowe związki typu A2MO4+δ (A = La, Pr, Nd; M = Ni, Cu), należące do serii Ruddlesdena-Poppera posiadają wiele zalet w stosunku do obecnie stosowanych materiałów katodowych, w tym w szczególności, charakteryzują się wspóczynnikami rozszerzalności cieplnej odpowiadającymi wartościom typowym dla elektrolitów stałotlenkowych stosowanych w ogniwach IT-SOFC oraz dobrym mieszanym przewodnictwem jonowo-elektronowym, w którym składowa jonowa może być realizowana przez międzywęzłowe jony tlenu. Inna grupa proponowanych materiałów katodowych to perowskity podwójne z grupy GdBa0,5Sr0,5Co2-xFexO5+δ, wykazujące wyjątkowo wysokie wartości przewodnictwa elektronowego i jonowego oraz bardzo szybki transport tlenu w zakresie temperatur 600-800 oC. W zakresie materiałów anodowych, tlenki Sr2-xBaxMMoO6-δ i Sr2-xBaxMWO6-δ (M: Mg, Mn, Fe, Co, Ni), czyli perowskity wykazujące uporządkowanie w podsieci M-Mo lub M-W wykazują wysokie mieszane przewodnictwo jonowo-elektronowe w atmosferach redukcyjnych, oraz odporność na osadzanie węgla i wpływ siarki, co jest kluczowe dla ogniw IT-SOFC zasilanych gazem syntezowym. W ramach pracy doktorskiej planuje się systematyczne i interdyscyplinarne badania (SEM, EDS, TEM, BET, XPS, dylatometria, TG, spektroskopia impedancyjna, przewodnictwo elektryczne, wyznaczenie wspóczynników transportu tlenu i właściwości elektrochemicznych), które pozwolą na określenie korelacji pomiędzy strukturą, składem chemicznym i właściwościami transportowymi, co w konsekwencji pozwoli na zaprojektowanie lepszych materiałów elektrodowych oraz zrozumienie mechanizmów jonowo-elektronowych związanych z działaniem ogniw IT-SOFC.