Oxygen permeability of transition metal-containing La(Sr,Pr)Ga(Mg)O_3-δ ceramic membranes

Abstract

Acceptor-type doping of perovskite-type La1-xSrxGa0.80-yMgyM0.20O3-δ (x = 0-0.20, y = 0.15-0.20, M = Fe, Co, Ni) leads to significant enhancement of ionic conductivity and oxygen permeability due to increasing oxygen vacancy concentration. The increase in strontium and magnesium content is accompanied, however, with increasing role of surface exchange kinetics as permeation-limiting factor. At temperatures below 1223 K, the oxygen permeation fluxes through La(Sr)Ga(Mg,M)O3-δ membranes with thickness less than 1.5 mm are predominantly limited by the exchange rates at membrane surface. The oxygen transport in transition metal-containing La(Sr)Ga(Mg)O3-δ ceramics increase in the sequence Co < Fe < Ni. The ionic conduction in these phases is, however, lower than that in the parent compounds, La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ. The highest level of oxygen permeation, comparable to that of La(Sr)Fe(Co)O3- and La2NiO4-based phases, is observed for La0.90Sr0.10Ga0.65Mg0.15Ni0.20O3-δ membranes. The average thermal expansion coefficients of La(Sr)Ga(Mg,M)O3-δ ceramics in air are in range (11.6–18.4) × 10-6 K-1 at 373-1273 K. Doping of LaGa0.65Mg0.15Ni0.20O3-δ with praseodymium results in moderate increase of the permeation fluxes, lower thermal expansion and an improved phase stability in reducing environments.<br><br>El dopado aceptor de cerámicas tipo perovskita La1-xSrxGa0.80-yMgyM0.20O3-δ (x = 0-0.20, y = 0.15-0.20, M = Fe, Co, Ni) da lugar a una mejora significativa de la conductividad iónica y de la permeabilidad al oxígeno debido al aumento de la concentración de vacantes de oxígeno. Sin embargo, el aumento de la cantidad de estroncio y magnesio viene acompañado de un aumento de la participación de las cinéticas de intercambio superficial como factor limitante de la permeabilidad. A temperaturas por debajo de 1223 K la permeabilidad al flujo de oxígeno a través de las membranas de La(Sr)Ga(Mg,M)O3-δ con espesor menor de 1.5 mm está limitado principalmente por las velocidades de intercambio en la superficie de la membrana. El transporte de oxígeno en las cerámicas La(Sr)Ga(Mg)O3-δ que contienen M aumenta en la secuencia Co < Fe < Ni. La conductividad iónica en estas fases es, sin embargo, menor que en la de los compuestos La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ. El mayor nivel de permeabilidad de oxígeno, comparable a la de las fases basadas en La(Sr)Fe(Co)O3 y La2NiO4, se observa para las membranas de La0.90Sr0.10Ga0.65Mg0.15Ni0.20O3-δ. Los coeficientes de dilatación térmica medios de las cerámicas La(Sr)Ga(Mg,M)O3-δ en aire son del orden de (11.6–18.4) × 10-6 K-1 a 373-1273 K. El dopado de LaGa0.65Mg0.15Ni0.20O3-δ con praseodimio da lugar a un incremento moderado de los flujos de permeabilidad, menor dilatación térmica y una mejor estabilidad de fase en entornos reductores