بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، پودر - LCFN - ، La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2O3 به عنوان ماده کاتدي پیل سوختی اکسید جامد به روش سل-ژل ساخته شد. همچنین لایههاي نازك LCFN بر زیرلایه SrTiO3 - STO - درفشارهاي مختلف اکسیژن به روش لایهنشانی لیزر پالسی - PLD - لایهنشانی شدند. ساختار بلوري و خواص الکتریکی لایهها با آنالیزهاي پراش پرتو - XRD - X، میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - و اندازهگیري مقاومت الکتریکی به روش چهار میله اي انجام گرفت.
مقدمه
پیل سوختی اکسید جامد دستگاه امیدبخش تبدیل انرژي است که مزایاي مهمی مثل بازده بالا و آلودگی زیست محیطی پایین دارد. تبدیل انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی مستقیم و فاقد تشکیل فاز میانی است.2]و[1 موادي که رسانندگی الکتریکی و یونی آمیخته - MIEC - دارند، توجه زیادي را براي استفاده به عنوان ماده کاتدي براي پیل سوختی اکسید جامد - SOFC - به خود جلب کردهاند4]و. کاهش دماي کاري SOFC از دماي تقریبی 1000 ºC به بازه 500 -750 ºC انتخاب مواد زیادي را امکانپذیر میسازد. براي مثال، آلیاژهاي فلزي میتوانند به عنوان رابطهاي میانی به کار روند، که میتوانند به میزان زیادي هزینهي ساخت را کاهش می- دهند و تجاريسازي این فنآوري را آسان مینمایند.
با اینحال مشخص شده است که اضافهپتانسیل کاتد یک SOFC با کاهش دماي کاري، افزایش مییابد.[5] استفاده از لایههاي نازك اکسیدي در طراحی پیل سوختی، میتواند اندازه وهزینه پیل را کاهش دهد. اخیراً لایهنشانی لیزر پالسی - PLD - به منظور ساخت لایههاي نازك براي کاربرد SOFC مورد استفاده قرار گرفته شده است.[6] La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2O3 بعلت رسانندگی الکتریکی بالا، ماده خوبی براي کاتد SOFC است.[7] همچنین عامل مهم دیگر، تخلخل این کاتد است، چون تخلخل کمک به افزایش عبور گاز به جایگاههاي واکنشی در سطح الکترولیت میکند. در این پژوهش تأثیر فشار اکسیژن را بر خواص ساختاري و الکتریکی لایهها به روش لایهنشانی لیزر پالسی بررسی خواهیم کرد.
آمادهسازي و تهیه نمونهها
در ابتد نمونه پودري LCFN از نمکهاي نیتراتی La - NO3 - 3.6H2O،Ca - NO3 - 2.4H2O، Fe - NO3 - 3.9H2O و Ni - NO3 - 2.6H2O و اسیدسیتریک به روش سل-ژل ساخته شد. مطالعه ساختار بلوري نمونه توسط دستگاه پراش پرتو ایکس با طول موج 1/5469Å از چشمهي CUKα مدل - EXPERT - انجام شد. همچنین لایههاي نازك LCFN به روش لایهنشانی لیزر پالسی - PLD - برروي زیرلایههاي STO - 100 - ، در بازهي دمایی 500-700ºC و در فشارهاي مختلف اکسیژن، لایهنشانی شدند.
در ابتدا براي اینکه محفظه براي ورود گاز اکسیژن کاملاً خالی باشد، محفظه تا فشار10-5Torr خلأ شد. از پرتو لیزر اگزایمر - KrF - ، با طول موج 248 nm و انرژي در حدود mj.pulse-1 360 بر روي یک هدف چرخان LCFN استفاده شد. حین لایه- نشانی فاصله هدف تا زیرلایه، ثابت و برابر 65 mm میباشد. به منظور بررسی تأثیر فشار اکسیژن بر خواص لایهها، لایهنشانی در فشارهاي مختلف اکسیژن، 100، 200 و 300 mTorr، انجام شد. به منظور مشاهدهي تشکیل فاز لایه-ها، پراش XRD لایهها گرفته شد. بررسی توپوگرافی و زبري سطح لایهها توسط میکروسکوپ نیروي اتمی، AFM انجام شد. اندازهگیري مقاومت بر حسب دما براي لایهها، به روش چهار میلهاي تا دماي 800 ºC صورت گرفت.
بحث و نتایج
شکل - 1 - الگوي XRD نمونه پودري LCFN را نشان می- دهد. تحلیل دادهها توسط نرمافزار Full-Prof، بلوري تکفاز و ساختار پروسکایتی اورتورومبیک با گروه فضایی pnma را مشخص میکند. پارامترهاي شبکه a= 5/5668 Å، 7/7430 Å b= و c= 5/4764 Å بدست آمدند. در الگوي XRD لایهها، شدت پیکها نمایانگر جهت رشد لایهها است. مشاهده میشود که با افزایش فشار اکسیژن شدت پیکها بیشتر شده که نشانگر افزایش خاصیت بلوري لایه است.
یکی از مهمترین خواص کاتد پیل سوختی اکسید جامد، افزایش رسانندگی الکتریکی با افزایش دماست. بدین منظور، مقاومت الکتریکی لایهها به روش چهار میلهاي با افزایش دما تا ºC 800 اندازهگیري شد. از شکل - 3 - مشاهده میشود که با افزایش دما، مقاومت لایه کاهش چشمگیري نشان میدهد. در دماهاي پایین مقاومت نمونه زیاد است که به صورت نمایی باافزایش دما،کاهش مییابد. این اندازهگیري در دو مرحله گرمشدن و سرد- شدن است که پس از پنجمین سیکل حرارتی دو نمودار کاملاً بر هم منطبق شدهاند.این موضوع نشاندهندهي پایداري حرارتی سیستم است. این نتایج در توافق با مدل جهش پلارونهاي کوچک به عنوان مکانیسم غالب در رسانندگی الکتریکی هستند.[9]
