سنتز و بررسی هدایت یونی نانوکامپوزیت Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9-δ-(Li,Na)2CO3 برای الکترولیت پیل سوختی اکسید جامد دما پایین (LT-SOFC)

از نقاط ضعف پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) دمای بالای فعال‌سازی هدایت یونی در الکترولیت آن‌ها است. یکی از روش‌هایی که به منظور کاهش این دما مورد توجه محققان قرار گرفته است، بهره‌گیری از دوپ هم زمان دو عنصر در اکسید سریم(سریا) و نیز اختلاط آن با یک نوع از نمک‌های فلزی مانند کربنات‌ها است. در تحقیق حاضر، با دوپ دو عنصر (کلسیم و ساماریم) در اکسید سریم، ابتدا پودر Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9 (CSDC 5) با روش احتراق نیترات - سیترات سنتز گردید. سپس از روش ‌پراش اشعه ایکس (XRD) برای آنالیز فازی و تعیین اندازه بلورک‌ها و جهت بررسی مورفولوژی نمونه‌‌های سنتز شده پودری و زینتر شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) بهره گرفته شد. الگوهای XRD نشان از تشکیل محلول جامد سریای دوپ شده با ساماریم و کلسیم دارد. طبق نتایج حاصل از الگوی پراش اشعه ایکس در جهت (111) اندازه بلورک‌ها nm 19 بدست آمد. تصاویر FE-SEM نشان داد که نانوذرات CSDC 5 کروی شکل بوده و اندازه‌ای در حدود nm 20 داشتند. اندازه‌گیری هدایت یونی تمامی نمونه‌ها به روش طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در بازه دمایی ℃ 650 – 250 انجام گرفت. نتایج این آزمون مشخص کرد که Ca0.05Sm0.2Ce0.75O1.9-δ از هدایت یونی برابر با S.cm-1 015/0 در دمای ℃ 650 برخوردار بوده است. با ترکیب نانو پودر CSDC 5 با کربنات‌های لیتیم و سدیم نانوکامپوزیت CSDC 5 – (Li,Na)2CO3 (CSDC5 – LN) سنتز و الکترولیت آن ساخته شد. الگوی XRD مربوط به نمونه کامپوزیت مشابه الگوی مربوط به سریا و CSDC 5 بوده که احتمال آمورف بودن فاز کربنات را مطرح کرد. داده‌های آنالیزهای جرم‌سنجی حرارتی و حرارتی تفرقی (TG/DTA) بیان داشت که فاز کربنات تا دمای تقریبی ℃ 730 پایدار بوده و تجزیه نشده است. تصاویر حاصل از FE-SEM مشخص نمود که نانوذرات CSDC 5 با فاز کربنات احاطه شده‌اند. همچنین نمونه کامپوزیت زینتر شده دارای تخلخل و تراکم نسبی بوده است. نتایج آزمون امپدانس نمونه CSDC 5 – LN مشخص ساخت که در بالای دمای ℃ 500 ، هدایت یونی نمونه کامپوزیت (℃ 650 @ S.cm-1 073/0) با اختلاف فاحش 5 برابری بیشتر از هدایت یونی نمونه CSDC 5 بود. این امر بیانگر اثر مثبت بهره‌گیری از فاز کربنات به علت دارا بودن هدایت یونی Na+ ، Li+ و CO_3^(2-) در محدوده دمایی گفته شده بوده و آن را به عنوان یکی از کاندیداهای الکترولیت پیل‌ سوختی اکسید جامد دما پایین (LT-SOFC) مطرح می‌نماید.