Electrochemical Oxygen Generator with Solid-Molten Bi2O3–B2O3 Electrolyte and Porous Bi3Ru3O11–Bi2O3 Electrodes

P. E. Dergacheva; Дергачева П. Е.; S. V. Fedorov; Федоров С. В.; V. V. Belousov; Белоусов В. В.; A. A. Konovalov; Коновалов А. А.; V. V. Artemov; Артемов В. В.

doi:10.31857/S0424857023060038

Электрохимическая ячейка с твердо-расплавным электролитом Bi₂O₃–B₂O₃ и пористыми электродами Bi₃Ru₃O₁₁–Bi₂O₃ для генерации кислорода

Авторы: Дергачева П.Е.¹, Федоров С.В.¹, Белоусов В.В.¹, Коновалов А.А.¹, Артемов В.В.²
Учреждения:
1. Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
2. ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Выпуск: Том 59, № 6 (2023)
Страницы: 360-366
Раздел: Статьи
URL: https://bakhtiniada.ru/0424-8570/article/view/139283
DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857023060038
EDN: https://elibrary.ru/PXYIJO
ID: 139283

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изготовлена симметричная электрохимическая ячейка “пористый электрод Bi₃Ru₃O₁₁–35 мас. % Bi₂O₃|твердо-расплавный электролит Bi₂O₃–0.2 мас. % B₂O₃|пористый электрод Bi₃Ru₃O₁₁–35 мас. % Bi₂O₃”. С помощью методов импедансной спектроскопии и кулоновольюмометрии измерены омическое и поляризационное сопротивления ячейки, фарадеевская эффективность и поток кислорода, которые при 740°C составили 0.046 и 0.077 Ом см², 97% и 5 × 10^–7 моль см^–2 с^–1 соответственно. Установлено влияние смачивания поверхности пористых электродов на поляризационное сопротивление. Отмечены перспективы использования электродного Bi₃Ru₃O₁₁–35 мас. % Bi₂O₃ и электролитного Bi₂O₃–0.2 мас. % B₂O₃ материалов в электрохимических генераторах кислорода.

Ключевые слова

электрохимический генератор кислорода, электролит, электрод, смачивание, импеданс

Список литературы

Akulinin, E., Golubyatnikov, O., Dvoretsky, D., and Dvoretsky, S., Optimization and analysis of pressure swing adsorption process for oxygen production from air under uncertainty, Chem. Ind. Chem. Eng. Q., 2020, vol. 26, no. 1, p. 89.
Santos, J.C., Cruz, P., Regala, T., Magalhaes, F.D., and Mendes, A., High-purity oxygen production by pressure swing adsorption, Ind. Eng. Chem. Res., 2007, vol. 46, no. 2, p. 591.
Allam, R. J., Improved oxygen production technologies, Energy Procedia, 2009, vol. 1, no. 1, p. 461.
Wang, M., Nowicki, K.M., and Irvine, J.T.S., A Novel Solid Oxide Electrochemical Oxygen Pump for Oxygen Therapy, J. Electrochem. Soc., 2022, vol. 169, no. 6, p. 064509.
Tsai, J.T., Wang, S.F., Hsu, Y.F., and Jasinski, P., Effects of La0.8Sr0.2MnO3 and Ag electrodes on bismuth-oxide-based low-temperature solid electrolyte oxygen generators, Ceram. Int., 2022, vol. 48, no. 1, p. 1132.
Wang, S.F., Chen, Y.W., and Hsu, Y.F., Honeycomb oxygen-generator with doped bismuth-oxide-based electrolyte and Ag electrode, J. Electroceramics, 2020, vol. 44, no. 1, p. 104.
Chen, Y.W., Liu, Y.-X., Wang, S.F., and Devasenathipathy, R., Characteristics of Honeycomb-Type Oxygen Generator with Electrolyte Based on Doped Bismuth Oxide, J. Electron. Mater., 2018, vol. 47, no. 7, p. 3639.
Dyer, P.N., Richards, R.E., Russek, S.L., and Taylor, D.M., Ion transport membrane technology for oxygen separation and syngas production, Solid State Ion., 2000, vol. 134, no. 1-2, p. 21.
Badwal, S.P.S. and Ciacchi, F.T., Ceramic membrane technologies for oxygen separation, Adv. Mater., 2001, vol. 13, no. 12–13, p. 993.
Jiang, D., Bu, X., Sun, B., Lin, G., Zhao, H., Cai, Y., and Fang, L., Experimental study on ceramic membrane technology for onboard oxygen generation, Chinese J. Aeronaut., 2016, vol. 29, no. 4, p. 863.
Meixner, D.L., Brengel, D.D., Henderson, B.T., Abrardo, J.M., Wilson, M.A., Taylor, D.M., and Cutler, R.A., Electrochemical oxygen separation using solid electrolyte ion transport membranes, J. Electrochem. Soc., 2002, vol. 149, no. 9, p. D132.
Zhou, W., Shao, Z., Ran, R., Chen, Z., Zeng, P., Gu, H, Jin W., and Xu, N., High performance electrode for electrochemical oxygen generator cell based on solid electrolyte ion transport membrane, Electrochim. Acta, 2007, vol. 52, no. 22, p. 6297.
Pham, A.Q. and Glass, R.S., Oxygen pumping characteristics of yttria-stabilized-zirconia, Electrochim. Acta, 1998, vol. 43, no. 18, p. 2699.
Спирин, А.В., Никонов, А.В., Липилин, А.С., Паранин, С.Н., Иванов, В.В., Хрустов, В. Р., Валенцев, А.В., Крутиков, В.И. Электрохимический элемент с твердооксидным электролитом и кислородный насос на его основе. Электрохимия. 2011. Т. 47. С. 608. [Spirin, A.V. Nikonov, A.V., Lipilin, A.S., Paranin, S.N., Ivanov, V.V., Khrustov, V.R., Valentsev A.V., and Krutikov, V.I., Electrochemical cell with solid oxide electrolyte and oxygen pump thereof, Russ. J. Eleсtrochem., 2011, vol. 47, p. 569.]
Yuan, D. and Kröger, F.A., Stabilized zirconia as an oxygen pump, J. Electrochem. Soc., 1969, vol. 116, no. 5, p. 594.
Park, J.Y. and Wachsman, E.D., Lower temperature electrolytic reduction of CO2 to O2 and CO with high-conductivity solid oxide bilayer electrolytes, J. Electrochem. Soc., 2005, vol. 152, no. 8, p. A1654.
Hong, T., Fang, S., Zhao, M., Chen, F., Zhang, H., Wang, S., and Brinkman, K.S., An intermediate-temperature oxygen transport membrane based on rare-earth doped Bismuth Oxide Dy0.08W0.04Bi0.88O2 – δ, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 4, p. F347.
Inaba, H. and Tagawa, H., Ceria-based solid electrolytes, Solid State Ion., 1996, vol. 83, nos. 1–2, p. 1.
Sammes, N.M., Tompsett, G.A., Näfe, H., and Aldinger, F., Bismuth based oxide electrolytes–structure and ionic conductivity, J. Eur. Ceram. Soc., 1999, vol. 19, no. 10, p. 1801.
Жук, П.П., Вечер, А.А., Самохвал, В.В. Кислородные проводники на основе оксида висмута. Вестник БГУ. Сер. 2. 1984. № 1. С. 8. [Zhuk, P.P., Vecher, A.A., and Samokhval, V.V., Oxygen conductors based on bismuth oxide, Vestnik BGU. Ser. 2 (in Russian), 1984, no. 1, p. 8.]
Belousov, V.V. and Fedorov, S.V., A highly conductive electrolyte for molten oxide fuel cells, Chem. Commun., 2017, vol. 53, no. 3, p. 565.
Levin, E.M. and McDaniel, C.L., The System Bi2O3–B2O3, J. Amer. Ceram. Soc., 1962, vol. 45, no. 8, p. 355.
Esposito, V., Luong, B.H., Di Bartolomeo, E., Wachsman, E.D., and Traversa, E., Applicability of Bi2Ru2O7 pyrochlore electrodes for ESB and BIMEVOX electrolytes, J. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, no. 12, p. A2232.
Jaiswal, A., Hu, C.T., and Wachsman, E.D., Bismuth ruthenate-stabilized bismuth oxide composite cathodes for IT-SOFC, J. Electrochem. Soc., 2007, vol. 154, no. 10, p. B1088.