Oxygen ion conducting ceramics (Sc ₂O₃)_0.1(ZrO₂)_0.9, (Sc ₂O₃)_0.1(CeO₂)_0.01(ZrO ₂)_0.89 and Ce_0.9Gd_0.1O_1.95 were sintered from powders with different specific surface areas. The produced ceramics were studied by scanning electron microscopy and impedance spectroscopy methods. Impedance spectroscopy measurements were performed in a wide frequency range of 10 Hz–3 GHz at temperatures up to 900 K in air. Temperature dependences of bulk and total ionic conductivities of ceramics were investigated. High bulk ionic conductivity of the order of 1 S/m at 900 K for 10ScSZ and 10Sc1CeSZ ceramics was achieved. Total ionic conductivity for both types of 10GDC ceramics was of the order of 0.1 S/m at 700 K.
Keywords: solid electrolyte, ionic conductivity, ScSZ, GDC
PACS: 81.05.Je, 66.30.Dn

DEGUONIES JONAMS LAIDŽIŲJŲ KERAMIKŲ KEPINIMAS IR JŲ ELEKTRINĖS SAVYBĖS
S. Kazlauskas, A. Kežionis, T. Šalkus, A.F. Orliukas
Vilniaus universiteto Fizikos fakultetas, Vilnius, Lietuva

Iš (Sc₂O₃)_0,1 (ZrO₂)_0,9 (10ScSZ), (Sc₂O₃) _0,1(CeO₂)_0,01(ZrO₂)_0,89 (10Sc1CeSZ) ir Ce_0,9Gd_0,1O_1,95 (10GDC) miltelių, kurių savitasis paviršiaus plotas S = 6,44 ir 201 m²/g, buvo pagamintos deguonies jonams laidžiosios keramikos. Siekiant nustatyti keramikų gamybos technologinių sąlygų įtaką jų mikrostruktūrai, keramikų paviršiai buvo ištirti skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM). Elektrinės šių keramikų savybės buvo tiriamos plačiame dažnių (10 Hz – 3 GHz) ir temperatūrų (300–900 K) diapazone pilnutinės varžos spektroskopijos (IS) metodais. Iš SEM nuotraukų nustatyta, jog kristalitų dydžiai keramikose 10ScSZ ir 10Sc1CeSZ yra panašūs, jie kinta nuo 1 iki 12 μm. Iš skirtingo paviršiaus ploto miltelių pagamintų 10GDC keramikų kristalitų dydžiai taip pat labai artimi, tačiau jie keletą kartų mažesni nei cirkonio keramikų. Naudojantis IS rezultatais, buvo įvertinti kristalitinis σ_b ir bendrasis σ _t keramikų laidumai. Keičiant temperatūrą, šie dydžiai kinta pagal Arenijaus dėsnį. Staigus kristalitinio laidumo padidėjimas, stebimas 820 K temperatūroje 10 mol % skandžiu stabilizuoto cirkonio oksido (10ScSZ) keramikoje, yra susijęs su 10ScSZ struktūriniu faziniu virsmu. Junginyje, kuriame į 10ScSZ buvo įvesta 1 mol % CeO₂ priemaišų, 300–850 K temperatūrų intervale laidumo šuolis nestebimas. 10Sc1CeSZ ir 10ScSZ keramikų kristalitinis laidumas yra didesnis nei 2 S/m esant 900 K temperatūrai, o abiejų 10GDC keramikų bendrasis laidumas buvo jau 0,1 S/m esant 700 K temperatūrai. Visų tyrinėtų keramikų (išskyrus 10ScSZ) rezultatai rodo, jog jos pasižymi dideliu joniniu laidumu ir atitinka reikalavimus, keliamus vidutinių temperatūrų kietojo kuro gardelėms (SOFC).

References / Nuorodos

[1] B.C.H. Steele and A. Heinzel, Materials for fuel-cell technologies, Nature 414, 345–352 (2001),
http://dx.doi.org/10.1038/35104620
[2] D.W. Strickler and W.G. Carlson, Electrical conductivity in the ZrO ₂-rich region of several M₂O₃-ZrO₂ systems, J. Am. Ceram. Soc. 48(6), 286–289 (1965),
http://dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1965.tb14742.x
[3] S.P.S. Badwal and F.T. Ciacchi, Oxygen-Ion conducting electrolyte materials for solid oxide fuel cells, Ionics 6 , 1–21 (2000),
http://dx.doi.org/10.1007/BF02375543
[4] R. Ruh, H.J. Garrett, R.F. Domagala, and V.A. Patel, The system zirconia-scandia, J. Am. Ceram. Soc. 60(9), 399–403 (1977),
http://dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1977.tb15521.x
[5] O. Yamamoto, Y. Arati, Y. Takeda, N. Imanishi, Y. Mitzutani, M. Kawai, and Y. Nakamura, Electrical conductivity of stabilized zirconia with ytterbia and scandia, Solid State Ionics 79 (2), 137–142 (1995),
http://dx.doi.org/10.1016/0167-2738(95)00044-7
[6] H. Inaba and H. Tagawa, Ceria-based solid electrolytes, Solid State Ionics 83(1), 1–16 (1996),
http://dx.doi.org/10.1016/0167-2738(95)00229-4
[7] M. Mogensen, N.M. Sammes, and G.A. Tompsett, Physical, chemical and electrochemical properties of pure and doped ceria, Solid State Ionics 129, 63–94 (2000),
http://dx.doi.org/10.1016/S0167-2738(99)00318-5
[8] Y.C. Zhou, R.J. Philips, and J.A. Switzer, Electrochemical synthesis and sintering of nanocrystalline cerium(IV) oxide powders, J. Am. Ceram. Soc. 78(4), 981–985 (1995),
http://dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1995.tb08425.x
[9] A. Kežionis, E. Kazakevičius, T. Šalkus, and A.F. Orliukas, All-purpose impedance spectrometer, in: Programme and book of abstracts: Lithuanian – French – Ukrainian Workshop on Materials for Functional Elements of Solid State Ionics (Vilnius, 2008)
[10] A. Kežionis, E. Kazakevičius, T. Šalkus, and A.F. Orliukas, Broadband high frequency impedance spectrometer with working temperatures up to 1200 K, Solid State Ionics 188(1), 110–113 (2011),
http://dx.doi.org/10.1016/j.ssi.2010.09.034
[11] J. Fleig, The grain boundary impedance of random microstructures: numerical simulations and implications for the analysis of experimental data, Solid State Ionics 150(1), 181–193 (2002),
http://dx.doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00274-6
[12] C. Suciu, E.S. Erichsen, and A.C. Hoffmann, Modified sol-gel method used for obtaining SOFC electrolyte materials, ECS Trans. 25(2), 1679–1686 (2009),
http://dx.doi.org/10.1149/1.3205706
[13] K. Huang, M. Feng, and J.B. Goodenough, Synthesis and electrical properties of dense Ce_0.9Gd_0.1O_1.95 ceramics, J. Am. Ceram. Soc. 81(2), 357–362 (1998),
http://dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02341.x
[14] J.E. Bauerle, Study of solid electrolyte polarization by a complex admittance method, J. Phys. Chem. Solids 30 , 2657–2670 (1969),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3697(69)90039-0
[15] J. Ross Macdonald and J.A. Garber, Analysis of impedance and admittance data for solids and  liquids, J. Electrochem. Soc. 124, 1022–1030 (1977),
http://dx.doi.org/10.1149/1.2133473