Ce-,1-x-Nd-,x-O-,2-x-2-固溶體納米粉體的低溫燃燒合成研究.pdf

1、以稀土元素摻雜的CeO2基固溶體粉體為原料制備出的固體電解質材料在中溫下即具有較高的氧離子電導率，在最近幾年關于固體氧化物燃料電池(SOFC)組元材料的研究中備受關注。本文采用一種新型的區(qū)別于過去傳統(tǒng)方法的低溫燃燒合成工藝，分別在甘氨酸—硝酸鹽體系(GNP)和檸檬酸—硝酸鹽體系(CNP)中，合成出了典型的由稀土元素Nd摻雜的CeO2基固溶體Ce1-xNdxO2-x/2(0≤x≤0.6)納米粉體材料(Nd3+DopedCerium，簡稱N

2、DC)，并對粉體合成過程中燃料的種類、焙燒溫度，甘氨酸或檸檬酸與硝酸鹽的配比，絕熱燃燒溫度、點火溫度等工藝制度和燃燒特性，以及粉體的成分、晶體結構、晶粒尺寸、顯微形貌、比表面積、氧空位、摻雜濃度和固溶限等特性進行了理論的分析計算和實驗的研究表征，另外還對粉體燒結體的開始燒結溫度、晶體結構、致密度以及表面形貌等與電解質材料的制備和性能有關的重要參數特性進行了簡要分析。 在甘氨酸—硝酸鹽組成的燃燒體系中，根據推進劑化學理論以及燃燒反

3、應熱力學計算了甘氨酸和硝酸鹽的化學配比對絕熱燃燒溫度的影響，以及不同的化學配比和焙燒溫度等條件組成的工藝制度對摻雜濃度x=0.2時粉體特性的影響，確定了比較適宜的貧燃料下的甘氨酸和硝酸鹽的化學配比G/N=1.2。根據TG-DSC分析，燃燒反應在極短時間內完成，點火溫度為257.5℃。粉體呈海綿狀多孔微結構特征，晶體結構為單相立方螢石結構，晶粒尺寸比較細小，只有9～17nm，粉體有輕微團聚，比表面積約為38～47m2·g-1。隨著焙燒溫度

4、的升高，晶粒尺寸逐漸增大，晶形較為規(guī)則完整，純度提高，顆粒尺寸約為40nm左右。Raman光譜表明，在465cm-1處出現(xiàn)的拉曼峰為螢石結構的F2g拉曼振動模式，在580cm-1左右處出現(xiàn)的弱的拉曼寬化峰是由于摻雜后固溶體晶格中產生氧空位引起的，隨焙燒溫度的提高，寬化峰強度增強，說明焙燒溫度的提高有利于氧空位濃度的增加。以確定下來的化學配比和焙燒溫度為工藝參數，又合成出了不同摻雜濃度的納米粉體，并將摻雜濃度提高到x=0.6，XRD分析表

5、明，雖然摻雜濃度增加，晶體卻不發(fā)生結構和相變，說明Nd3+在CeO2晶格中的固溶度較高。X射線熒光光譜分析(XRF)結果也證實了固溶體中元素成分含量百分比與設定的化學計量比基本一致。Raman分析結果表明，580cm-1處出現(xiàn)的寬化峰強度隨摻雜濃度的提高而逐漸增強，說明Nd"摻雜促進了氧空位的生成。當摻雜濃度x=0.2時粉體經成型后在1400℃燒結4小時，燒結后的材料仍保持單相立方螢石結構，沒有發(fā)生結構轉變，說明體材料在高溫下比較穩(wěn)定。

6、同時致密化程度比較高，相對密度達到98.14％。 在檸檬酸—硝酸鹽組成的燃燒體系中，同樣選擇貧燃料下的檸檬酸和硝酸鹽的化學計量比C/N=0.6，然后研究了焙燒溫度對摻雜濃度x=0.2時粉體特性的影響。XRD結果表摻雜后的固溶體仍保持立方螢石結構，晶粒細小，約為7～21nm。TG-DSC分析得知，燃燒反應程度不如GNP下的反應劇烈，粉體的分散性及純度要比GNP下的結果要好，反映了不同的燃料對燃燒過程、粉體的尺寸、分散和團聚等特性的