Synthesis and characterisation of acceptor-doped BaSnO3 compounds as proton conductors
Synthèse et caractérisation de composés conducteurs protoniques de type BaSnO3 dopés accepteurs
Abstract
The main objective of the present work was the systematic study of BaSn1-xMxO3-d (M = Y, Gd, Sc, In, …) as proton conductors. We first developed a synthesis route based on the acrylic acid polymerization. This allowed us obtaining pure nanopowders and dense ceramics after a classical sintering process. We then studied the influence of dopant nature and content on the structural and electrical properties. This study was coupled to theoretical calculations which helped us predicting the most probable defects within the structure. Results indicate that the substitution model is closely linked with dopant size. For small cations, the substitution on B-site occurs as foreseen by the original compound formula. For big cations (La, Nd and Sm), the modeling anticipates a possible partial substitution on A-site, confirmed by an anomaly observed on the evolution of cell parameters. Concerning electrical properties, we did not observe any significant trend as a function of dopant size. It seems nevertheless that best dopants in terms of anion or proton conduction are those presenting the smaller dopant-defect interaction energy as revealed by semi-empirical calculations. In the case of yttrium, the evolution of conduction with Y3+ content is linked both to the increase of charge carriers due to doping and to the increase of grain size with increasing dopant content. We also showed that the stability is strongly linked with the doping level. While highly doped compounds are unstable in humid atmosphere, slightly doped compounds present good stability in humid, hydrogen and CO2 containing atmosphere. Finally, we showed that ZnO as an additive could be used to lower the sintering temperature without changing the conduction properties. This study thus showed that BaSn1-xMxO3-d(M = Y, Gd, Sc, In, …) may find applications as proton conductors if dopant level is limited for stability reasons, grain size important for better conduction properties and the elaboration process optimised to ensure high density.
L'objectif de ce travail était l'étude systématique de composés de type BaSn1-xMxO3-d (M= Y, Gd, Sc, In, …) pour lesquels des propriétés de conduction protonique étaient attendues. Nous avons tout d'abord développé une méthode de synthèse originale par polymérisation d'acide acrylique qui nous a permis d'obtenir des poudres nanométriques pures, puis des céramiques denses après frittage. Nous avons ensuite étudié l'influence de la nature et de la teneur en dopant sur les propriétés structurales et électriques. Cette étude expérimentale a été couplée à la modélisation semi-empirique qui nous a permis de prédire les défauts les plus probables au sein de la phase. Les résultats montrent que le modèle de substitution est étroitement lié à la taille des cations substituant. Pour les petits cations, une substitution totale sur le site B est calculée et observée alors que, pour les plus grosses terres rares (La, Nd et Sm), la modélisation anticipe une substitution partielle possible sur le site A confirmée par une anomalie dans l'évolution des paramètres de maille. Concernant les propriétés électriques, nous n'avons pas observé de tendances claires de l'évolution des propriétés électriques en fonction de la nature du cation. Il semble malgré tout que les dopants les meilleurs correspondent à ceux pour lesquels l'énergie d'association lacune-dopant est la plus faible. Dans le cas de l'yttrium, la conduction augmente avec le taux de substitution ce qui peut être relié à la fois à l'augmentation associée du nombre de porteurs et à l'évolution microstructurale. Nous montrons également que le taux de dopant a une forte influence sur la stabilité des matériaux produits. Ainsi, les composés fortement dopés sont instables sous atmosphère humide, alors que les composés faiblement dopés semblent stables sous atmosphère humide, riches en H2 ou CO2. Finalement, nous avons montré que l'emploi de ZnO comme additif permettait d'abaisser fortement la température de frittage sans pour autant affecter les propriétés de transport. Cette étude a donc démontré que les composés de type BaSn1-xMxO3-d (M= Y, Gd, Sc, In, …) peuvent trouver des applications comme conducteurs protoniques pour peu que le taux de substituant soit limité pour des raisons de stabilité, que la taille de grains soit importante pour améliorer la conduction et le procédé de fabrication optimisé pour obtenir une forte densité.
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