Siberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalСибирский аэрокосмический журналSiberian Aerospace Journal2712-89702782-5760Reshetnev Siberian State University of Science and Technology71612410.31772/2712-8970-2026-27-2-354-372Section 3. Technological Processes and MaterialsРаздел 3. Технологические процессы и материалыResearch ArticleThe influence of pH on the formation of microstructure and electrochemical characteristics of solid electrolytes 5 YSZВлияние pH на формирование микроструктуры и электрохимические характеристики твердых электролитов 5 YSZhttps://orcid.org/0000-0001-7754-0011FedorovLeonid Yu.ФедоровЛеонид Юрьевич
Russian Federation

Researcher

научный сотрудник

lfedorov@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0009-0000-1299-5998LoginovYuri Yu.ЛогиновЮрий Юрьевич
Russian Federation

Dr. Sc., Professor

доктор физико-математических наук, профессор

loginov@sibsau.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6951-8025KarpovIgor V.КарповИгорь Васильевич
Russian Federation

Cand. Sc., Associate Professor, Head of the UNESCO Chair “New Materials and Technologies”

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии»

ikarpov@sfu-kras.ruPavlovAleksandr V.ПавловАлександр Викторович
Russian Federation

Cand. Sc., Senior Lecturer in the Department of Composite Materials and Physical Chemistry of Metallurgical Processes

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры композиционных материалов и физико-химии металлургических процессов

tech_ceramica@krtz.suhttps://orcid.org/0000-0003-4677-6210MozzherinAleksandr V.МозжеринАлександр Владимирович
Russian Federation

Cand. Sc., Associate Professor in the UNESCO Chair “New Materials and Technologies”

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии»

amozzherin@sfu-kras.ruSiberian Federal UniversityСибирский федеральный университетFederal Research Center “Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»Reshetnev Siberian State University of Science and TechnologyСибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева060720262723543720607202606072026Copyright ©; 2026, Fedorov L.Y., Loginov Y.Y., Karpov I.V., Pavlov A.V., Mozzherin A.V.Copyright ©; 2026, Федоров Л.Ю., Логинов Ю.Ю., Карпов И.В., Павлов А.В., Мозжерин А.В.2026Fedorov L.Y., Loginov Y.Y., Karpov I.V., Pavlov A.V., Mozzherin A.V.Федоров Л.Ю., Логинов Ю.Ю., Карпов И.В., Павлов А.В., Мозжерин А.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/716124

This paper examines how precipitation pH affects the phase stability, microstructure, and electrochemical characteristics of solid electrolytes based on zirconia stabilized with 5 mol.% yttria (5 YSZ), which we synthesized by chemical coprecipitation. We obtained precursors under three pH conditions (acidic pH < 2, near-neutral pH = 3–7, and alkaline pH > 10) using nitrate salts and NH4OH as a precipitant. We characterized the products by SEM, X-ray diffraction, Raman, and IR spectroscopy, as well as DC conductivity measurements. The results demonstrate that precipitation pH critically determines the homogeneity of Y3+ ion distribution in the precursor. Acidic conditions hinder yttrium coprecipitation, resulting in pronounced segregation of the elements and a high content of the monoclinic phase after calcination and milling. Alkaline conditions ensure quantitative precipitation but cause partial compositional fluctuations and severe agglomeration, so they necessitate intensive milling, which induces lattice deformations and phase transformations. Near-neutral conditions (pH 5–6) promote homogeneous coprecipitation of Zr4+ and Y3+ ions, forming precursors with a uniform element distribution and weakly agglomerated particles. This homogeneity ensures the complete removal of coordinated hydroxyl groups during heat treatment, maintaining a high concentration of oxygen vacancies and the stability of the tetragonal phase. Ceramics that we sintered from powder obtained under neutral conditions achieve relative density (98.7%) and ionic conductivity (36.4 mS/cm at 850 °C). Solid oxide electrolytes based on stabilized zirconium dioxide function widely as materials for parameter control sensors (oxygen sensors in propulsion systems) and also serve as the basis for the creation of solid oxide fuel cells.

В работе исследовано влияние pH осаждения на фазовую стабильность, микроструктуру и электрохимические характеристики твердых электролитов на основе диоксида циркония, стабилизированного 5 мол.% оксида иттрия (5 YSZ), синтезированных методом химического соосаждения. Прекурсоры были получены при трех режимах pH (кислом pH < 2, близком к нейтральному pH = 3–7 и щелочном pH > 10) с использованием нитратных солей и NH4OH в качестве осадителя. Продукты исследовали методами СЭМ, РФА, рамановской и ИК-спектроскопии, измерения проводимости на постоянном токе. Результаты показывают, что pH осаждения критически определяет гомогенность распределения ионов Y3+ в прекурсоре. Кислые условия препятствуют соосаждению иттрия, что приводит к выраженной сегрегации элементов и высокому содержанию моноклинной фазы после прокаливания и измельчения. Щелочные условия обеспечивают количественное осаждение, но вызывают частичные флуктуации состава и сильную агломерацию, что требует интенсивного измельчения, которое индуцирует деформации решетки и фазовые превращения. Условия, близкие к нейтральным (pH 5–6), способствуют гомогенному соосаждению ионов Zr4+ и Y3+, формируя прекурсоры с равномерным распределением элементов и слабоагломерированными частицами. Такая гомогенность обеспечивает полное удаление координированных гидроксильных групп в процессе термообработки, сохраняя высокую концентрацию кислородных вакансий и стабильность тетрагональной фазы. Керамика, спеченная из порошка, полученного в нейтральных условиях, достигает значений относительной плотности (98,7 %) и ионной проводимости (36,4 мСм/см при 850 °C). Твердые оксидные электролиты на основе стабилизированного диоксида циркония находят широкое применение в качестве функциональных материалов для датчиков контроля параметров (кислородные датчики в двигательных установках), а также являются основой для создания твердооксидных топливных элементов.

zirconium dioxidechemical precipitationmicrostructurephase compositionionic conductivityдиоксид цирконияхимическое осаждениемикроструктурафазовый составионная проводимостьGovernment of the Russian FederationПравительство Российской ФедерацииFSRZ-2026-0005The work was carried out within the framework of state assignment FSRZ-2026-0005.Работа выполнена в рамках госзадания FSRZ-2026-0005.Agarkov D., Borik M., Komarov B., Korableva G., Kulebyakin A., Kuritsyna I., Lomonova E., Milovich F., Myzina V., Tabachkova N. Long-Term Conductivity Stability of Electrolytic Membranes of Scandia Stabilized Zirconia Co-Doped with Ytterbia. Membranes. 2023, Vol. 13, No 6, P. 586. DOI: 10.3390/membranes13060586Long-Term Conductivity Stability of Electrolytic Membranes of Scandia Stabilized Zirconia Co-Doped with Ytterbia / D. Agarkov, M. Borik, B. Komarov et al. // Membranes. 2023. Vol. 13, No 6. P. 586. DOI:10.3390/membranes13060586Mahato N., Gupta A., Balani K. Doped zirconia and ceria-based electrolytes for solid oxide fuel cells: a review. Nanomaterials and Energy. 2012, Vol. 1, No 1, P. 27–45.Mahato N., Gupta A., Balani K. Doped zirconia and ceria-based electrolytes for solid oxide fuel cells: a review // Nanomaterials and Energy. 2012. Vol. 1, No 1. P. 27–45.Borik M. A., Chislov A. S., Kulebyakin A. V., Lomonova E. E., Milovich F. O., Myzina V. A., Tabachkova N. Y., Korableva G. M., Kuritsyna I. E., Larina N. A., Ryabochkina P. A. Structure and transport characteristics of single crystals of zirconia stabilized by scandia and co-doped with terbium oxide. Solid State Ionics. 2022, Vol. 375, P. 115836. DOI: 10.1016/j.ssi.2021.115836Structure and transport characteristics of single crystals of zirconia stabilized by scandia and co-doped with terbium oxide / M. A. Borik, A. S. Chislov, A. V. Kulebyakin et al. // Solid State Ionics. 2022. Vol. 375. P. 115836. DOI: 10.1016/j.ssi.2021.115836Milyavskii V. V., Savinykh A. S., Akopov F. A. et al. Ceramics based on partially stabilized zirconium dioxide: synthesis, structure, and properties under dynamic loading. High temperature thermal physics. 2011, Vol. 5(49), P. 707–712.Керамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония: синтез, структура и свойства при динамическом нагружении / В. В. Милявский, А. С. Савиных, Ф. А. Акопов и др. // Теплофизика высоких температур. 2011. Вып. 5(49). С. 707–712.Strekalovsky V. N., Polezhaev Yu. M., Palguev S. F. Oksidy s primesnoy razuporyadochennost'yu: sostav, struktura, fazovye prevrashcheniya [Oxides with impurity disorder: composition, structure, phase transformations]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 160 p.Стрекаловский В. Н., Полежаев Ю. М., Пальгуев С. Ф. Оксиды с примесной разупорядоченностью: состав, структура, фазовые превращения. М. : Наука, 1987. 160 c.Gorelov V. P., Belyakov S. A. Features of the monoclinic-tetragonal transition in ZrO2. Solid State Physics. 2023, Vol. 65(12), P. 2275–2280.Горелов В. П., Беляков С. А. Особенности моноклинно-тетрагонального перехода в ZrO2 // Физика твердого тела. 2023. Вып. 65(12). С. 2275–2280.Shukla S., Seal S. Mechanisms of room temperature metastable tetragonal phase stabilisation in zirconia. International Materials Reviews. 2005, Vol. 50(1), P. 45–64.Shukla S., Seal S. Mechanisms of room temperature metastable tetragonal phase stabilisation in zirconia // International Materials Reviews. 2005. Vol. 50(1). P. 45–64.Tekeli S., Erdogan M., Aktas B. Influence of α-Al2O3 addition on sintering and grain growth behaviour of 8 mol.% Y2O3-stabilised cubic zirconia (c-ZrO2). Ceramics International. 2004, Vol. 30(8), P. 2203–2209.Tekeli S., Erdogan M., Aktas B. Influence of α-Al2O3 addition on sintering and grain growth behaviour of 8 mol.% Y2O3-stabilised cubic zirconia (c-ZrO2) // Ceramics International. 2004. Vol. 30(8). P. 2203–2209.Duh J. G., Hwung J. J. Synthesis and sintering behavior of MgO-doped yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP). Materials Chemistry and Physics. 1988, Vol. 20(4–5), P. 409–430.Duh J. G., Hwung J. J. Synthesis and sintering behavior of MgO-doped yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP) // Materials Chemistry and Physics. 1988. Vol. 20(4–5). P. 409–430.Zeng S., Gao S., Wang Z., Huang Y., He Q., Jiang C. Performance Evolution of Gd2O3-Yb2O3-Y2O3-ZrO2 (GYYZO) Thermal Barrier Coatings After Thermal Cycling. Coatings. 2025, Vol. 15(12), P. 1380.Performance Evolution of Gd2O3-Yb2O3-Y2O3-ZrO2 (GYYZO) Thermal Barrier Coatings After Thermal Cycling / S. Zeng, S. Gao, Z. Wang et al. // Coatings. 2025. Vol. 15(12). P. 1380.Shen H., Zhang G., Zhang J., Wang L., Wang J. Comprehensive investigation on CMAS and steam corrosion resistance of quaternary rare earth oxide co-doped zirconia thermal barrier coating material. Corrosion Science. 2025, Vol. 244, P. 112631.Comprehensive investigation on CMAS and steam corrosion resistance of quaternary rare earth oxide co-doped zirconia thermal barrier coating material / H. Shen, G. Zhang, J. Zhang et al. // Corrosion Science. 2025. Vol. 244. P. 112631.Manoharan D., Loganathan A., Kurapati V., Nesamony V. Unique sharp photoluminescence of size-controlled sonochemically synthesized zirconia nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry. 2015, Vol. 23, P. 174–184.Unique sharp photoluminescence of size-controlled sonochemically synthesized zirconia nanoparticles / D. Manoharan, A. Loganathan, V. Kurapati, V. Nesamony // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. Vol. 23. P. 174–184.Abilev M., Yerbolat D., Skakov M., Zhilkashinova A., Pavlov A., Karpov I. Influence of Y2O3 Content and Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of YSZ Ceramics. Crystals. 2025, Vol. 15(11), P. 1002.Influence of Y2O3 Content and Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of YSZ Ceramics / M. Abilev, D. Yerbolat, M. Skakov et al. // Crystals. 2025. Vol. 15(11). P. 1002.Jianxing Z., Zongyu F., Jianhui S., He Z., Juanyu Y., Ning W., Fang C., Lei D., Xiaowei H. Crystal defects and phase transitions of nanocrystalline yttria-stabilised zirconia induced by high-energy ball milling. Ceramics International. 2021, Vol. 47(12), P. 16432–16440.Crystal defects and phase transitions of nanocrystalline yttria-stabilised zirconia induced by high-energy ball milling / Z. Jianxing, F. Zongyu, S. Jianhui et al. // Ceramics International. 2021. Vol. 47(12). P. 16432–16440.Sato H., Yamada K., Pezzotti G., Nawa M., Ban S. Mechanical properties of dental zirconia ceramics changed with sandblasting and heat treatment. Dental Materials Journal. 2008, Vol. 27(3), P. 408–414.Mechanical properties of dental zirconia ceramics changed with sandblasting and heat treatment / H. Sato, K. Yamada, G. Pezzotti et al. // Dental Materials Journal. 2008. Vol. 27(3). P. 408–414.Zhu J., Albertsma S., van Ommen J.G., Lefferts L. Role of surface defects in activation of O2 and N2O on ZrO2 and yttrium-stabilized ZrO2. The Journal of Physical Chemistry B. 2005, Vol. 109(19), P. 9550–9555.Role of surface defects in activation of O2 and N2O on ZrO2 and yttrium-stabilized ZrO2 / J. Zhu, S. Albertsma, J. G. van Ommen, L. Lefferts // The Journal of Physical Chemistry B. 2005. Vol. 109(19). P. 9550–9555.Loghman-Estarki M. R., Hajizadeh-Oghaz M., Edris H., Razavi R. S. Comparative studies on synthesis of nanocrystalline Sc2O3–Y2O3 doped zirconia (SYDZ) and YSZ solid solution via modified and classic Pechini method. Cryst. Eng. Comm. 2013, Vol. 15(29), P. 5898–5909.Comparative studies on synthesis of nanocrystalline Sc2O3–Y2O3 doped zirconia (SYDZ) and YSZ solid solution via modified and classic Pechini method / M. R. Loghman-Estarki, M. Hajizadeh-Oghaz, H. Edris, R. S. Razavi // Cryst. Eng. Comm. 2013. Vol. 15(29). P. 5898–5909.Zavodinsky V. G. On the mechanism of ionic conductivity in stabilized cubic zirconium dioxide. Solid State Physics. 2004, Vol. 46, No. 3, P. 441–445.Заводинский В. Г. О механизме ионной проводимости в стабилизированном кубическом диоксиде циркония // Физика твердого тела. 2004. Т. 46, № 3. С. 441–445.Smits F. M. Measurement of sheet resistivities with the four-point probe. Bell System Technical Journal. 1958, Vol. 37(3), P. 711–718.Smits F. M. Measurement of sheet resistivities with the four-point probe // Bell System Technical Journal. 1958. Vol. 37(3). P. 711–718.