Study of oxygen transport of microtubular La0.5Sr0.5Fe1 – xNbxO3 – δ membranes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Perovskite-like oxides based on lanthanum-strontium ferrites are considered promising electrode materials for use in various types of fuel cells, and the strategy of modifying these materials by partial substitution of iron with highly charged ferroactive cations has proven to be an effective way to increase their chemical stability. In this paper, for the first time, the results of a study of the permeability of microtubular oxygen membranes based on La0.5Sr0.5Fe1 – xNbxO3 – δ oxide are presented. The activation energy of oxide bulk diffusion (20±4 kJ/mol) was found.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. V. Kovalev

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Author for correspondence.
Email: kovalev.ivan.vyacheslavovich@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

R. D. Guskov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Email: kovalev.ivan.vyacheslavovich@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

V. P. Sivtsev

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Email: kovalev.ivan.vyacheslavovich@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

M. I. Gongola

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS; Novosibirsk State University

Email: kovalev.ivan.vyacheslavovich@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

M. P. Popov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Email: kovalev.ivan.vyacheslavovich@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Simner, S.P., Bonnett, J.F., Canfield, N.L., Meinhardt, K.D., Shelton, J.P., Sprenkle, V.L., and Stevenson, J.W., Development of lanthanum ferrite SOFC cathodes, J. Power Sources, 2003, vol. 113, no. 1, p. 1.
  2. Simner, S.P., Bonnett, J.F., Canfield, N.L., Meinhardt, K.D., Sprenkle, V.L., & Stevenson, J.W., Optimized lanthanum ferrite-based cathodes for anode-supported SOFCs, Electrochem. and Solid-State Letters, 2002, vol. 5, no. 7, p. A173.
  3. Plonczak, P., Gazda, M., Kusz, B., & Jasinski, P., Fabrication of solid oxide fuel cell supported on specially performed ferrite-based perovskite cathode, J. Power Sources, 2008, vol. 181, no. 1, p. 1.
  4. ten Elshof, J.E., Bouwmeester, H.J., & Verweij, H., Oxygen transport through La1 – xSrxFeO3 – δ membranes. I. Permeation in air/He gradients, Solid State Ionics, 1995, vol. 81, no. 1–2, p. 97.
  5. ten Elshof, J.E., Bouwmeester, H.J., & Verweij, H., Oxygen transport through La1 – xSrxFeO3 – δ membranes II. Permeation in air/CO, CO2 gradients, Solid State Ionics, 1996, vol. 89, no. 1–2, p. 81.
  6. Murade, P.A., Sangawar, V.S., Chaudhari, G.N., Kapse, V.D., & Bajpeyee, A.U., Acetone gas-sensing performance of Sr-doped nanostructured LaFeO3 semiconductor prepared by citrate solgel route, Curr. Appl. Phys., 2011, vol. 11, no. 3, p. 451.
  7. Backhaus-Ricoult, M., Adib, K., Work, K., Badding, M., Ketcham, T., Amati, M., & Gregoratti, L., In-situ scanning photoelectron microscopy study of operating (La, Sr) FeO3-based NOx-sensing surfaces, Solid State Ionics, 2012, vol. 225, p. 716.
  8. Nalbandian, L., Evdou, A., & Zaspalis, V., La1 – xSrxMO3 (M = Mn, Fe) perovskites as materials for thermochemical hydrogen production in conventional and membrane reactors, Intern. J. Hydrogen Energy, 2009, vol. 34, no. 17, p. 7162.
  9. Tan, X., Shi, L., Hao, G., Meng, B., & Liu, S., La0.7Sr0.3FeO3 – α perovskite hollow fiber membranes for oxygen permeation and methane conversion, Separation and Purification Technol., 2012, vol. 96, p. 89.
  10. Patrakeev, M.V., Bahteeva, J.A., Mitberg, E.B., Leonidov, I.A., Kozhevnikov, V.L., & Poeppelmeier, K.R., Electron/hole and ion transport in La1 – xSrxFeO3 – δ, J. Solid State Chem., 2003, vol. 172.
  11. Hou, Y., Wang, L., Bian, L., Zhang, Q., Chen, L., & Chou, K.C., Effect of high-valence elements doping at B site of La0.5Sr0.5FeO3 – δ, Ceram. International, 2022, vol. 48, no. 3, p. 4223.
  12. Bayraktar, D., Diethelm, S., Graule, T., & Holtappels, P., Properties of B-site substituted La0.5Sr0.5FeO3 – δ perovskites for application in oxygen separation membranes, J. Electroceram., 2009, vol. 22, no. 1–3, Special Issue, p. 55.
  13. Ecker, S.I., Dornseiffer, J., Werner, J., Schlenz, H., Sohn, Y.J., Sauerwein, F.S., Baumann, S., Bouwmeester, H.J.M., Guillon, O., Weirich, T.E., and Meulenberg, W.A., Novel low-temperature lean NOx storage materials based on La0.5Sr0.5Fe1 – xMxO3 – δ/Al2O3 infiltration composites (M = Ti, Zr, Nb), Appl. catalysis B: environmental, 2021, vol. 286, p. 119919.
  14. Bian, L., Duan, C., Wang, L., Zhu, L., O’Hayre, R., & Chou, K.C., Electrochemical performance and stability of La0.5Sr0.5Fe0.9Nb0.1O3 – δ symmetric electrode for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 2018, vol. 399, p. 398.
  15. Wang, S., Wei, B., & Lü, Z., Electrochemical performance and distribution of relaxation times analysis of tungsten stabilized La0.5Sr0.5Fe0.9W0.1O3 – δ electrode for symmetric solid oxide fuel cells, Intern. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, no. 58, p. 30101.
  16. Chen, X., Hao, S., Lu, T., Li, M., Han, L., Dong, P., Xiao, J., Zeng, X., and Zhang, Y., A vanadium-doped La0.5Sr0.5FeO3 – δ perovskite as a promising anode of direct carbon solid oxide fuel cells for brown coal utilization, J. Alloys and Compounds, 2022, vol. 928, p. 167212.
  17. Liu, F., Zhang, L., Huang, G., Niu, B., Li, X., Wang, L., Zhao, J., and Jin, Y., High performance ferritebased anode La0.5Sr0.5Fe0.9Mo0.1O3 – δ for intermediatetemperature solid oxide fuel cell, Electrochim. Acta, 2017, vol. 255, p. 118.
  18. Chizhik, S.A., Popov, M.P., Kovalev, I.V., Bychkov, S.F., and Nemudry, A.P., Comparison of stationary and transient kinetic methods in determining the rate of surface exchange reaction between molecular oxygen and MIEC perovskite, Chem. Engineering J., 2022, vol. 450, p. 137970.
  19. Dann, S.E., Currie, D.B., Weller, M.T., Thomas, M.F., and Al-Rawwas, A.D., The effect of oxygen stoichiometry on phase relations and structure in the system La1 – xSrxFeO3 – δ (0≤ x≤ 1, 0≤ δ≤ 0.5), J. Solid State Chem., 1994, vol. 109, no. 1, p. 134.
  20. Shubnikova, E.V., Popov, M.P., Bychkov, S.F., Chizhik, S.A., and Nemudry, A.P., The modeling of oxygen transport in MIEC oxide hollow fiber membranes, Chem. Engineering J., 2019, vol. 372, p. 251.
  21. Bouwmeester, H.J. and Gellings, P.J., The CRC handbook of solid state electrochemistry, CRC Press, 1997, p. 481–553.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Comparison of experimental and calculated diffraction patterns.

Download (64KB)
Indexing metadata
3. Fig. Fig. 2. SEM membranes LSFN10 in cross section (a) and on the surface (b).

Download (95KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Results of energy dispersive analysis of the surface of the LSFN10 sample: (a) main phase, (b) secondary phase.

Download (100KB)
Indexing metadata
5. Fig. Fig. 4. Dependence of the specific oxygen flow (JO2) on the supply gas pressure (p1) for membranes of composition LSFN10.

Download (52KB)
Indexing metadata
6. Fig. Fig. 5. Arrhenius dependence of oxygen exchange for membranes of composition LSFN10.

Download (40KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».