Influence of Sr Substitution on the Phase Formation and Electrochemical Properties of La1-xSrxMnO3-δ Perovskites

Editorial Board PCSS Journal; П. Колковський; M. Колковський; Б. Рачій; В. Коцюбинський; І. Яремій; С. Яремій; O. Вишневський; T. Поведа; M. Кирилюк; A. Білоус

doi:10.15330/pcss.27.3.591-597

Автор(и)

П. Колковський Відділ хімії твердого тіла, Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, Київ, Україна
M. Колковський Кафедра прикладної фізики і матеріалознавства, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Б. Рачій Кафедра прикладної фізики і матеріалознавства, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
В. Коцюбинський Кафедра прикладної фізики і матеріалознавства, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
І. Яремій Кафедра прикладної фізики і матеріалознавства, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
С. Яремій Кафедра математики та інформатики і методики навчання, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
O. Вишневський Відділ проблем алмазоносності, Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М. П. Семененка НАН України, Київ, Україна
T. Поведа Кафедра фізики, Кам'янець-Подільський національний університет імені Івана Огієнка, Кам'янець-Подільський, Україна
M. Кирилюк Кафедра стоматології, Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
A. Білоус Відділ хімії твердого тіла, Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.591-597

Ключові слова:

перовськіт, фазоутворення, Х-променева дифрактометрія, морфологія, La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ, заміщення Sr, модифікований метод Печіні, електрохімічні властивості, суперконденсатори

Анотація

Порошки зі структурою перовськіту La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ (x = 0; 0,15; 0,30; 0,50) синтезовано модифікованим золь-гель методом Печіні. Диференціально-термічний аналіз показав, що для повного формування перовськітної фази необхідна термообробка при температурі близько 800 °C. Х-променевий структурний аналіз встановив, що синтезовані порошки характеризуються орторомбічною структурою, спорідненою з перовськітною (просторова група Pnma), тоді як термообробка при 800 °C приводить до утворення однофазної ромбоедричної перовськітної структури (просторова група R‑3c). Скануюча електронна мікроскопія показала, що порошки складаються з агломерованих наночастинок із розмірами зерен у межах 50–200 нм. Електрохімічні дослідження виявили, що заміщення Sr суттєво впливає на ємнісні характеристики La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ. Найвище значення питомої ємності 118 Ф·г⁻¹ отримано для складу La₀.₇Sr₀.₃MnO₃₋δ, що зумовлено оптимальним балансом між електронною провідністю та концентрацією електрохімічно активних редокс-центрів Mn³⁺/Mn⁴⁺. Отримані результати демонструють, що контрольоване заміщення Sr є ефективним підходом до керування структурними та електрохімічними властивостями La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ, що робить ці матеріали перспективними кандидатами для застосування як електродні компоненти суперконденсаторів.

Посилання

S. Gong, B.G. Liu, Electronic energy gaps and optical properties of LaMnO3, Physics Letters A, 375, 1477 (2011); https://doi.org/10.1016/j.physleta.2011.02.027.

C. Ma, W. Ren, L. Wang, J. Xu, A. Chang, L. Bian, Structural, optical, and electrical properties of (Mn1.56Co0.96Ni0.48O4)1−x(LaMnO3)x composite thin films, Journal of the European Ceramic Society, 36, 4059 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.06.019.

T.H. Tran et al., Sr doped LaMnO3 nanoparticles prepared by microwave combustion method: A recyclable visible light photocatalyst, Results in Physics, 19, 103417 (2020); https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103417.

V.A. Khomchenko et al., Effect of diamagnetic Ca, Sr, Pb, and Ba substitution on the crystal structure and multiferroic properties of the BiFeO3 perovskite, Journal of Applied Physics, 103, 024105 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2836802.

Q. Lin, J. Lin, X. Yang, Y. He, L. Wang, J. Dong, The effects of Mg2+ and Ba2+ dopants on the microstructure and magnetic properties of doubly-doped LaFeO3 perovskite catalytic nanocrystals, Ceramics International, 45, 3333 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.246.

H. Huang, Q. Liu, B. Lu, X. Wang, J. Hu, LaMnO3-diamond composites as efficient oxygen reduction reaction catalyst for Zn-air battery, Diamond and Related Materials, 91, 199 (2019); https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.11.024.

J. Hu, L. Zhang, B. Lu, X. Wang, H. Huang, LaMnO3 nanoparticles supported on N doped porous carbon as efficient photocatalyst, Vacuum, 159, 59 (2019); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.10.021.

T. Shou, Y. Li, M.T. Bernards, C. Becco, G. Cao, Y. Shi, Y. He, Degradation of gas-phase o-xylene via combined non-thermal plasma and Fe doped LaMnO3 catalysts: Byproduct control, Journal of Hazardous Materials, 387, 121750 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121750.

F. Li, Z. Wang, A. Wang, S. Wu, L. Zhang, N-type LaFe1−xMnxO3 prepared by sol-gel method for gas sensing, Journal of Alloys and Compounds, 816, 152647 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152647.

P. Goel, S. Sundriyal, V. Shrivastav, S. Mishra, D.P. Dubal, K.-H. Kim, A. Deep, Perovskite materials as superior and powerful platforms for energy conversion and storage applications, Nano Energy, 80, 105552 (2021); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105552.

K. Sebayang, D. Aryanto, S. Simbolon, C. Kurniawan, S.F. Hulu, T. Sudiro, M. Ginting, P. Sebayang, Effect of sintering temperature on the microstructure, electrical and magnetic properties of Zn0.98Mn0.02O material, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 309, 012119 (2018); https://doi.org/10.1088/1757-899X/309/1/012119.

W. Azouzi, W. Sigle, H. Labrim, M. Benaissa, Sol-gel synthesis of nanoporous LaFeO3 powders for solar applications, Materials Science in Semiconductor Processing, 104, 104682 (2019); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104682.

K. Bhoi et al., Studies of magnetic phase transitions in orthorhombic DyMnO3 ceramics prepared by acrylamide polymer gel template method, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 480, 138 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.02.069.

Q. Sun et al., Enhanced ferromagnetism and conductivity in epitaxial LaMnO3 thin films by oxygen-atmosphere annealing, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 499, 166317 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166317.

N. Geetha, V. Senthil Kumar, D. Prakash, Synthesis and Characterization of LaMn1−xFexO3 (x = 0, 0.1, 0.2) by Coprecipitation Route, Journal of Physical Chemistry & Biophysics, 8, 273 (2018); https://doi.org/10.4172/2161-0398.1000273.

X. Lang et al., Ag nanoparticles decorated perovskite La0.85Sr0.15MnO3 as electrode material for supercapacitors, Materials Letters, 243, 34 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.02.002.

R. Tian et al., Low-temperature solid oxide fuel cells with La1−xSrxMnO3 as the cathodes, Journal of Power Sources, 185, 1247 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.09.058.

M.L. Mokhnatskyi et al., Promising Cathode Material for Supercapacitors LaFe0.5Cr0.5O3 Perovskite Nanoparticles, Physics and Chemistry of Solid State, 21(4), 635 (2020); https://doi.org/10.15330/pcss.21.4.635-639.

H.M. Kolkovska et al., Mechanisms of charge accumulation of the electrochemical system LaMnO3 / AC, Physics and Chemistry of Solid State, 22(4), 644 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.4.644-654.

H.M. Kolkovska, I.P. Yaremiy, P.I. Kolkovskyi et al., Electrochemical Properties of Hybrid Supercapacitors Formed Based on Carbon and ABO3-Type Perovskite Materials, Journal of Nano- and Electronic Physics, 14(1), 01020 (2022); https://doi.org/10.21272/jnep.14(1).01020.

B.K. Ostafiychuk, H.M. Kolkovska, I.P. Yaremiy, B.I. Rachiy, P.I. Kolkovskyi, N.Y. Ivanichok, S.I. Yaremiy, Synthesis and Electrochemical Properties of LaMnO3 Perovskite Nanoparticles, Physics and Chemistry of Solid State, 21(2), 219 (2020); https://doi.org/10.15330/pcss.21.2.219-226.

P.P. Ma et al., Effect of A-site substitution by Ca or Sr on the structure and electrochemical performance of LaMnO3 perovskite, Electrochimica Acta, 332, 135489 (2020); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135489.

Z.U. Rehman et al., Impact of Sr Content on the Morphology and Electrochemical Performance of La1−xSrxMnO3 Perovskites for High-Performance Supercapacitors, Ceramics, 9(5):44 (2026); https://doi.org/10.3390/ceramics9050044.

K.V. Madhale, M.M. Faras, A.A. Mohite, U.V. Shembade et al., Facile combustion synthesis of Granular-like La1−xSrxMnO3 Perovskites as electrode material for supercapacitor application, Journal of Energy Storage, 101, 113841 (2024); https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113841.

X. Ye, S. Dong, X. Jin, J. Wei, L. Wang, Y. Zhang, Enhancement in the Electrochemical Performance of Strontium (Sr)-Doped LaMnO3 as Supercapacitor Materials, Coatings, 12(11), 1739 (2022); https://doi.org/10.3390/coatings12111739.

K. Gupta, O. P. Thakur, M. Kumar, Effect of A-Site Substitution on LaMnO3 Perovskite via Sr Ions for Energy Applications, Journal of Electronic Materials, 52, 4279 (2023); https://doi.org/10.1007/s11664-023-10208-0.

J. Rodriguez-Carvajal, FULLPROF: a program for Rietveld refinement and pattern matching analysis, Proceedings of the XV IUCr Satellite Meeting on Powder Diffraction (Toulouse, France, 1990), p. 127.

I. Yaremiy, S. Yaremiy, V. Fedoriv, O. Vlasii, A. Lucas, Developing and programming the algorithm of refinement of the crystal structure of materials with possible isomorphous substitution, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5(95)), 61 (2018); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.142752.

I. Yaremiy, S. Yaremiy, M. Povkh, O. Vlasii, V. Fedoriv, A. Lucas, X-ray diagnostics of the structure of near-surface layers of ion-implanted monocrystalline materials, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12(96)), 50 (2018); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.151806.

P. Kolkovskyi et al., Synthesis and Electrochemical Properties of α and β Modifications of MnO2 for Supercapacitors Application, Journal of Nano Research, 71, 111 (2022); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.71.111.

P. Kolkovskyi et al., Manganese dioxide nanoparticles and nanocomposites with carbon black: Synthesis, physical-chemical and electrical properties, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 32(12), 1151 (2024); https://doi.org/10.1080/1536383X.2024.2382275.

K. Krishnamoorthy, G. K. Veerasubramani, S. Radhakrishnan, S. J. Kim, One pot hydrothermal growth of hierarchical nanostructured Ni3S2 on Ni foam for supercapacitor application, Chemical Engineering Journal, 251, 116 (2014); https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.04.006.

V.S. Bushkova, S.I. Mudry, I.P. Yaremiy, V.I. Kravets, X-ray analysis of nickel-cobalt ferrite nanoparticles by using Debye–Scherrer, Williamson–Hall and SSP methods, Journal of Physical Studies, 20(1/2), 1702 (2016); https://doi.org/10.30970/jps.20.1702.

A.V. Kopayev, V.V. Mokljak, I.M. Gasyuk, I.P. Yaremiy, V.V. Kozub, Structure Ordering in Mg-Zn Ferrite Nanopowders Obtained by the Method of Sol-Gel Autocombustion, Solid State Phenomena, 230, 114 (2015); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.230.114.