BaCe1-x-yZrxSmyO3-a的合成、導電性及應用.pdf

1、BaCeO3基導電陶瓷材料因其具有特殊的質(zhì)子導電功能,在固體氧化物燃料電池(SOFC)、氣體傳感器、有機物的氫化和脫氫、常壓合成氨、氫的電解制備、分離和提純等能源變換及薄膜反應器方面有著重要的應用價值和廣泛的應用前景。摻雜BaCeO3導電陶瓷材料是迄今為止報道的質(zhì)子電導率最高的陶瓷材料之一。但是,這類材料在CO2或H2O的氣氛中,化學穩(wěn)定性較差,因而限制了其在燃料電池等方面的應用。相比于BaCeO3基導電陶瓷材料,BaZrO3基陶瓷材料

2、雖然質(zhì)子電導率較低,但是卻具有較高的化學穩(wěn)定性和機械強度。為了得到化學穩(wěn)定性好且電導率高的BaCeO3基陶瓷材料,目前BaCeO3與BaZrO3基復合陶瓷材料的制備成為國內(nèi)外研究的熱點。在稀土金屬離子摻雜的BaCeO3陶瓷中,Sm3+摻雜BaCeO3陶瓷具有較高的電導率。但關于Zr4+、Sm3+雙摻雜BaCeO3陶瓷的研究報道極少。此外,采用傳統(tǒng)的高溫固相法合成樣品,燒結溫度須高達1650℃以上才能得到致密陶瓷樣品。為此,本論文采用改進

3、的共沉淀法合成了BaCe1-x-yZrxSmyO3-α(x=0.10,y=0.10,0.15,0.20；x=0.10,0.15,0.20,0.30,y=0.10)系列陶瓷樣品,并對其化學穩(wěn)定性、中溫(300～800℃)導電性及常壓合成氨進行了研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　 ⑴采用改進的共沉淀法合成了BaCe1-x-yZrxSmyO3-α(x=0.10,y=0.10,0.15,0.20；x=0.10,0.15,0.20,0.30,

4、y=0.10)系列陶瓷樣品的前驅(qū)體,經(jīng)1150～1200℃下煅燒及1550℃下燒結得到了致密單相陶瓷樣品。與傳統(tǒng)的高溫固相反應法的煅燒溫度(1250℃)和燒結溫度(1650℃)相比,分別降低了50～100℃,100℃。
　　 ⑵測定了BaCe0-9-xZrxSm0.10O3-α(X=0.10,0.15,0.20,0.30)系列陶瓷樣品在混合氣氛(3％CO2+3％H2O+94％N2)中的化學穩(wěn)定性。結果表明：化學穩(wěn)定性隨著Zr4+

5、含量的增加而增強,其中x≥0.20的陶瓷樣品在此氣氛中未見碳酸鹽生成,具有較好的化學穩(wěn)定性。
　　 ⑶摻雜量對樣品電導率有著顯著影響。在BaCe0.90-yZr0.10SmyO3-α(y=0.10,0.15,0.20)系列陶瓷樣品中,保持Zr4+含量不變,改變Sm3+含量,在300～800℃下濕潤空氣氣氛中,Sm3+摻雜量為0.10的樣品具有最高的電導率。在BaCe0.90-xZrxSm0.10O3-α(x=0.10,0.15,

6、0.20,0.30)系列陶瓷樣品中,保持Sm3+含量不變,改變Zr4+含量,在上述條件下,電導率隨著Zr4+摻雜量的增加而降低。比較各樣品的穩(wěn)定性與電導率發(fā)現(xiàn),BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α樣品既具有較好的化學穩(wěn)定性又具有較高的電導率。
　　 ⑷采用氫濃差電池、濕潤氧濃差電池、水蒸氣濃差電池、電化學氫分子透過(氫泵)等電化學方法測定了BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α典型陶瓷樣品在500～800℃

7、下、濕潤氫氣或空氣氣氛中不同電荷載流子(離子、質(zhì)子、氧離子、電子)的遷移數(shù)(500～800℃)。研究發(fā)現(xiàn),BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α樣品在500～800℃下、氫氣氣氛中幾乎為純的離子導體,且質(zhì)子導電占主導地位,同時存在少量的氧離子和電子空穴導電；在濕潤空氣氣氛中,樣品是氧離子、質(zhì)子與電子空穴的混合導體,隨著溫度升高質(zhì)子遷移數(shù)降低,而氧離子遷移數(shù)升高。
　　 ⑸成功地將BaCe0.70Zr0.20Sm0.10