نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

• لِمِسا آصفا اِرِسا

بخش فیزیک، دانشکده علوم طبیعی و محاسباتی، دانشگاه آمبو، آمبو، اتیوپی

چکیده

هدف از این پژوهش، بررسی ویژگی‌های ساختاری، ریخت‌شناسی و الکتریکی سریم هم‌‌آلاییده با ساماریوم و لانتانوم (LSDC) به‌منظور کاربرد به‌عنوان الکترولیت در پیل‌های سوختی اکسید جامد با دمای کاری پایین است. برای بررسی ساختار بلوری، ریزساختار و ویژگی‌های الکتریکی، از روش‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف‌سنجی امپدانس استفاده شد. نتایج XRD نشان داد که تمامی نمونه‌ها دارای ساختار بلوری فاز تکی از نوع فلوریت مکعبی هستند و اندازه بلورک‌ها در بازه ۲۰ تا ۲۹ نانومتر قرار دارد. تصاویرSEM ، تشکیل دانه‌ها را تأیید کرده و میانگین اندازه دانه‌ها بین ۳۸۰ تا ۹۶۶ نانومتر همراه با حضور حفره‌ها مشاهده شد. رسانندگی یونی اندازه‌گیری‌شده با روش امپدانس برای ترکیب‌هایCe₀.₉Sm₀.₀₅La₀.₀₅O₁.₉₅، Ce₀.₈₅Sm₀.₀₅La₀.₁O₁.₉₂₅، Ce₀.₈₅Sm₀.₁La₀.₀₅O₁.₉₂₅، و Ce₀.₈Sm₀.₁La₀.₁O₁.₉  به‌ترتیب برابر با  ‎4.28×10⁻³، 6.5×10⁻³، 1.63×10⁻²، و ‎1.13×10⁻²‎ زیمنس بر سانتی‌متر در دمای ‎500°C‎ در فضای آزاد است. انرژی‌های فعال‌سازی به‌ترتیب ‎0.83‎، ‎0.76‎، ‎0.64‎  و ‎0.67‎ الکترون‌ولت محاسبه شدند. در میان نمونه‌های سریLSDC، ترکیب ‎Ce₀.₈₅Sm₀.₁La₀.₀₅O₁.₉₂₅‎  بالاترین رسانندگی یونی و کمترین انرژی فعال‌سازی را در تمامی دماهای اندازه‌گیری‌شده نشان داد. علاوه بر این، تمامی نمونه‌های LSDC در دمای پایین ‎400°C‎ نیز رسانندگی یونی بالاتر از ‎10⁻³ S/cm‎ داشتند. این نتایج به‌طور کلی تأیید می‌کنند که هم‌آلاییدگی سریم با ساماریوم و لانتانوم موجب بهبود ساختار، ریخت‌شناسی و رسانندگی یونی آن می‌شود و این ماده را به گزینه‌ای مناسب برای استفاده به‌عنوان الکترولیت قوی در پیل‌های سوختی اکسید جامد دمای پایین تبدیل می‌کند.

کلیدواژه‌ها

• پیل سوختی اکسید جامد دمای پایین (LT-SOFC)
• الکترولیت
• سریم
• هم‌‌آلاییدگی
• ویژگی الکتریکی

موضوعات

• فیزیک مادهٔ چگال

عنوان مقاله [English]

Investigation of the structural and electrical properties of Lanthanum and Samarium co-doped Ceria for low temperature solid oxide fuel cell electrolytes application

نویسنده [English]

• Lemessa Asefa Eressa

Ambo University, College of Natural & Computational Sciences, Department of Physics

چکیده [English]

The aim of this study is to investigate the structural, morphological, and electrical properties of ceria co-doped with samarium and lanthanum (LSDC) for application as an electrolyte in solid oxide fuel cells operating at lower temperatures. To assess the crystal structure, microstructure, and electrical characteristics, techniques including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and impedance spectroscopy were employed. The findings from XRD indicated that all samples crystallized into a single-phase, cubic fluorite structure, with crystallite sizes ranging from 20 to 29 nm. Confirmation of grain formation, along with average grain sizes between 380 and 966 nm, as well as the presence of pores, is determined by the SEM micrograph. The conductivity values determined through impedance spectroscopy for the compositions Ce_0.9Sm_0.05La_0.05O_1.95, Ce_0.85Sm_0.05La_0.1O_1.925, Ce_0.85Sm_0.1La_0.05O_1.925, and Ce_0.8Sm_0.1La_0.1O_1.9 were 4.28x10^-3 S/cm, 6.5x10^-3 S/cm, 1.63x10^-2 S/cm, and 1.13x10^-2 S/cm, respectively, at a temperature of 500 ⁰C in an air atmosphere. The activation energies calculated for the samples Ce_0.9Sm_0.05La_0.05O_1.95, Ce_0.85Sm_0.05La_0.1O_1.925, Ce_0.85Sm_0.1La_0.05O_1.925, and Ce_0.8Sm_0.1La_0.1O_1.9 are 0.83 eV, 0.76 eV, 0.64 eV, and 0.67 eV, respectively. Among the LSDC-series samples, the composition Ce_0.85Sm_0.1La_0.05O_1.925 exhibits the highest ionic conductivities and the lowest activation energies across all measured temperatures. Additionally, every LSDC sample demonstrated ionic conductivities greater than 10^-3 S/cm, even at the reduce temperature of 400 °C. These results collectively validate that the co-doping of samarium and lanthanum in ceria enhances its structure, morphology, and ionic conductivity, making it a viable strong electrolyte for applications in low-temperature solid oxide fuel cells.

کلیدواژه‌ها [English]

• LT-SOFC
• electrolyte
• ceria
• co-doping
• electrical properties