Synthesis and characterization of sodium cation-conducting Na_x(M_yL_1-y)O₂ (M = Ni²⁺, Fe³⁺; L = Ti⁴⁺, Sb⁵⁺)

Abstract

The Na+-conducting ceramics of layered Na0.8Ni0.4Ti0.6O2, Na0.8Fe0.8Ti0.2O2, Na0.8Ni0.6Sb0.4O2 (structural type O3) and Na0.68Ni0.34Ti0.66O2 (P2 type) with density higher than 91% were prepared via the standard solid-state synthesis route and characterized by the impedance spectroscopy, thermal analysis, scanning electron microscopy, structure refinement using X-ray powder diffraction data, measurements of Na+ concentration cell e.m.f., and dilatometry. The conductivity of antimonate Na0.8Ni0.6Sb0.4O2, synthesized first time, was found lower than that of isostructural Na0.8Ni0.4Ti0.6O2 due to larger ion jump distance between Na+ sites. At temperatures above 420 K, transport properties of sodium cationconducting materials are essentially independent of partial water vapor pressure. In the low-temperature range, the conductivity reversibly increases with water vapor pressure varied in the range from approximately 0 (dry air) up to 0.46 atm. The sensitivity to air humidity is influenced by the ceramic microstructure, being favored by increasing boundary area. The average thermal expansion coefficients of layered materials at 300-1173 K are in the range (13.7-16.0)×10-6 K-1.Se han preparado cerámicas conductoras conteniendo Na+ de composición Na0.8Ni0.4Ti0.6O2, Na0.8Fe0.8Ti0.2O2, Na0.8Ni0.6Sb0.4O2 (tipo estructural O3) y Na0.68Ni0.34Ti0.66O2 (tipo P2) con densidad mayor del 91%. Las vía de preparación fu la ruta de estandard de síntesis en estado sólido. Las composiciones se caracterizaron mediante espectroscopía de impedancia, análisis térmico, microscopía electrónica de barrido, refinamiento de la estructura usando datos de difracción de rayos X en polvo, medidas de concentración de Na+, f.e.m. de la célula y dilatometría. La conductividad del antimoniate, sintetizado por primera vez, Na0.8Ni0.6Sb0.4O2, era menor que la del compuesto isoestructural Na0.8Ni0.4Ti0.6O2 debido a la mayor distancia de salto iónico entre las posiciones de Na+. A temperaturas por encima de 420 K, las propiedades de transporte de los materiales conductores que contienen cations sodio son esencialmente independientes de la presión parcial de vapor de agua. En el intervalo de baja temperatura, la conductividad aumenta reversiblemente con la presión de vapor de agua variando en un intervalo de aproximadamente 0 (aire seco) hasta 0.46 atm. La sensibilidad a la humedad del aire está influída por la microestructura de la cerámica, estando favorecida al aumentar el área de borde. Los coeficientes de dilatación térmica medios de los materiales laminares entre 300 y 1173 K están en el intervalo (13.7-16.0)×10-6 K-1.

Keywords

• Sodium cationic conductor
• impedance spectroscopy
• air humidity
• thermal expansion
• ceramic microstructure
• Conductor con cationes sodio
• espectroscopia de impedancia
• humedad del aire
• dilatación térmica
• microestructura cerámica