Chemical synthesis of multi-cation oxide powders for solid oxide fuel cell (SOFC) components

Abstract

ÖZET Bu çalışma, LSGM (La0.9Sro.ıGao.8Mgo.2Û3-5), LSFM (Lao.?Sro.ıFeo.8Mgo.203^) ve LSCM (Lao.9Sro.ıCro.8Mgo.203-5) tozlarının organik öncül malzeme metodunu ve çeşitli öncül malzemeler kullanarak, her bir öncül malzemenin istenilen ve istenmeyen faz oluşumlarmdaki etkilerini, toz sentezinde oluşan fazların analizlerini, sentezlenen tozların karakterizasyon işlemlerini, bazı yeni kristal fazların kristallografik çalışmalarını, tozlan sentezlerken kalsinasyon sıcaklığında bekleme süresinin etkilerini ve ileri çalışma konuları hakkında tavsiyeleri içermektedir. Organik taşıyıcı malzeme olarak sitrik asit, tartarik asit, Pechini öncül malzemeleri, polivinil alkol ve etilen diamintetraasetik asit kullanılmıştır. Değişik organik taşıyıcı malzemeleri, toz sentezi sırasında değişik davranışlar sergiledi. Taşıyıcı malzeme kullanılmadan yapılan toz sentezi, taşıyıcı malzemelerin etkinliğini doğruladı. Değişik başlangıç malzemelerinin (lantanum klorat veya galyum sülfat) LSGM toz sentezine etkileri de incelendi. X-ışını kırınım analizleri, özellikle 1000°C'nin altında istenmeyen fazların oluştuğunu gösterdi. Düşük sıcaklıklarda (< 1000°C) ısıl işlem uygulanan tozlarda maksimum LSGM faz konsantrasyonu, 88% ile organik taşıyıcı malzeme olarak sitrik asit kullanıldığında görüldü. 1000°C'nin üzerinde, maksimum LSGM faz konsantrasyonu, 9.7% ile organik taşıyıcı malzeme olarak tartarik asit kullanıldığında görüldü. Tozlardaki LSGM yüzdelerine göre, düşük sıcaklık (1000°C'nin altı) sentezi için sitrik asit, 1000°C'nin üstünde sıcaklıklar için tartarik asit en iyi organik taşıyıcı malzemelerdi. Kalsinasyon sıcaklığında bekleme süresi arttırıldığında, istenilen fazların toz içindeki konsantrasyonlarının arttırılabileceği gösterilmiştir. Organik taşıyıcı malzemesi olarak PVA ile sentezlenen ve 1100°C'de kalsine edilen tozda LSGM konsantrasyonu 33.7% idi. Aynı ivtoz, aynı kalsinasyon sıcaklığında 7 saat bekletildiğinde tozdaki LSGM konsantrasyonu 79.8% 'e yükseldi. 550°C kadar düşük sıcaklıkta tek-faz LSFM tozu elde edildi. Elde edilen maksimum LSCM faz konsantrasyonu ise organik taşıyıcı malzemesi olarak PVA kullanıldığında ve 850°C'de 96.7% idi. İstenilen fazın saflığına etki eden faktörler; organik taşıyıcı malzemenin cinsi, iyon tutabilme derecesi ve fonksiyonel gruplarının katyonlarla olan etkileşimi olarak gösterilmiştir. Gelecekteki çalışma konularından, organik taşıyıcı - iyon etkileşimi 'nin önemi vurgulanmıştır. La4Ga2Û9 ve LSCM fazlarının yapıları, x-ışmı kırınım spektrumlarındaki pik pozisyonlarının kaymaları ışığında incelenmiştir.

ABSTRACT This study involves the synthesis of LSGM (Lao.9Sro.ıGao.8Mgo.203-5), LSFM (La0.9Sro.iFe0.8Mgo.203-5), and LSCM (Lao.gSro.iCro.gMgo^Os-s) powders via organic precursor method by using different organic carrier materials, investigation on the effects of each organic carrier material on the intended and unwanted phase formations, analyses of formed phases during stages of synthesis, characterization of the synthesized powders, crystallographic studies on the several new crystal phases, the effects of holding time during powder calcination, and further work advices. Citric acid, tartaric acid, Pechini precursors, polyvinyl alcohol, and ethylene diaminetetraacetic acid were used as organic carrier materials. Different organic carrier materials exhibited different behavior on the synthesis of powders. Synthesis of powders without carrier materials was conducted and the effectiveness of organic carrier materials was confirmed. In the LSGM synthesis, the effects of different starting materials (namely lanthanum chloride or gallium sulfate) were also investigated. X-ray powder diffraction measurements showed that unwanted phases formed, especially below 1000°C. In powders heat' treated at low temperatures (< 1000°C), maximum LSGM concentration was 88% when citric acid was used as the organic carrier material. Above 1000°C, maximum concentration of LSGM phase in the powders was 95.7% when tartaric acid was utilized as the organic carrier material. For low temperature (below 1000°C) synthesis citric acid, and for above-1000°C synthesis tartaric acid are the best organic carrier in terms of LSGM percentages in the powders. It was shown that increasing dwell time at calcination temperature could increase the concentration of the desired phases in the powder. The powder synthesized with PVA as the organic carrier material was calcined at 1100°C and LSGM phase in the powder was 33.7%. When same powder held 7 hours at the calcination temperature, LSGM phase in the powder increasedup to 79.8%. Single-phase LSFM was obtained in the powders calcined as low as at 550°C. In contrast to LSFM, maximum concentration of LSCM phase in the synthesized powders was 96.9%, when polyvinyl alcohol (PVA) was the organic carrier material. The factors affecting the purity of the desired phase were stated as the type of the organic carrier material, its cation chelating and/or complexing ability, and the interaction of the functional groups with the constituent cations. The necessity for further studies the organic carrier - cation interaction highlighted. The structures of La4Ga209 and LSCM were discussed in light of the observed shifts in the peak positions in the x-ray spectra. m