鋯酸鹽-無機鹽復(fù)相質(zhì)子導(dǎo)體的設(shè)計、制備和性能研究.pdf

1、鋯基鈣鈦礦型高溫質(zhì)子導(dǎo)體具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的晶粒電導(dǎo)率，是固體氧化物燃料電池用電解質(zhì)隔膜的重要候選材料。然而，燒結(jié)溫度高、總電導(dǎo)率偏低是其實用化面臨的最大障礙。本文在詳細(xì)研究和對比釔摻雜鋯酸鍶和鋯酸鋇燒結(jié)性能和電化學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用ZnO為燒結(jié)助劑，大幅度降低了這類質(zhì)子導(dǎo)體的燒結(jié)溫度，縮短了保溫時間，進一步以無機鹽為第二相添加劑，設(shè)計制備了具有新型微觀結(jié)構(gòu)的鋯酸鋇/無機鹽復(fù)相質(zhì)子導(dǎo)體，詳細(xì)研究了它們的燒結(jié)性能和電化學(xué)性能。主要

2、內(nèi)容如下： ⑴采用高溫固相法制備了SrZrxY1-xO3-δ（SZY）和BaZrxY1-xO3-δ（BZY）（x=0.05，0.10，0.15）系列單相粉體，在燒結(jié)溫度為1600℃，保溫時間大于6h的條件下，得到密度為95％左右的質(zhì)子導(dǎo)體。電性能測試表明，在固溶度范圍內(nèi)，隨著Y2O3摻雜量的增加，SZY和BZY的質(zhì)子導(dǎo)電性能提高。Y2O3摻雜量為10％的SZY10在800℃的直流電導(dǎo)率為1.2×10-3S/cm，相對來說，同樣摻

3、雜量的BZY材料的直流電導(dǎo)率較低，僅為5.32×10-4S/cm?；罨芊治霰砻?，SZY比BZY具有更高的直流電導(dǎo)活化能，這主要與SZY晶格結(jié)構(gòu)的正交畸變有關(guān)。 ⑵ZnO是SZY10（SrZr0.9Y0.1O2.95）和BZY10（Ba2r0.9Y0.1O2.95）的有效燒結(jié)助劑。研究表明，適量的ZnO（<5mol％）可以大幅度降低兩者的燒結(jié)溫度達250℃以上，保溫時間可以縮短到4h。ZnO主要以固溶取代的形式存在于SZY10和

4、BZY10晶格中，其在晶格中固溶使晶格缺陷增加是主要的促燒機理。在電性能方面，ZnO對SZY10和BZY10導(dǎo)電性能的影響不同。在BZY10中，材料的直流電導(dǎo)率隨著ZnO添加量的增加單調(diào)下降；在SZY10中，材料的直流電導(dǎo)率先隨ZnO的添加量增加而增加，當(dāng)添加量超過5mol％以后，電導(dǎo)率出現(xiàn)大幅下降。電動勢測試結(jié)果表明，添加5mol％以下ZnO不會顯著改變SZY10和BZY10的質(zhì)子導(dǎo)電特性，離子傳導(dǎo)系數(shù)在0.85以上。但是，當(dāng)ZnO在

5、SZY10中的添加量達到6mol％時，材料的離子傳導(dǎo)系數(shù)急劇下降。重點從缺陷化學(xué)角度對ZnO在SZY10和BZY10中的不同影響進行了討論。 ⑶在1320～1350℃/4h的燒結(jié)條件下，制備了符合預(yù)期設(shè)想結(jié)構(gòu)的系列BaZr0.9Y0.1O2.95/無機鹽（硫酸鹽、碳酸鹽和氫氧化鈉）復(fù)相質(zhì)子導(dǎo)體，重點研究了BaZr0.9Y0.1O2.95/Na2SO4復(fù)相質(zhì)子導(dǎo)體的燒結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)和電性能等。研究結(jié)果表明，BaZr0.9Y0.1

6、02.95/Na2SO4復(fù)相材料以BaZrO3的等軸晶粒為主晶相，Na2SO4主要分布于晶界處。對比單相材料BaZr0.9Y0.1O2.95，復(fù)相材料的直流電導(dǎo)率提高了一個數(shù)量級以上，接近10-2S/cm，離子傳導(dǎo)系數(shù)在0.9以上，是純質(zhì)子導(dǎo)體。BaZr0.9Y0.1O2.95/Na2SO4復(fù)相材料具有不同于單相材料的導(dǎo)電機理，這是硫酸鈉在晶界處的分布造成的。 ⑷燒結(jié)溫度、保溫時間、ZnO含量以及第二相無機鹽類型是影響B(tài)aZr0