質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)bazr0.1ce0.7y0.2o3的制備和性能研究

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TM911.4 國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：541.136 理學(xué)碩士學(xué)位論文 質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3的 制備和性能研究 碩 士 研 究 生： 關(guān) 波 導(dǎo) 師： 呂 喆 教授 申 請(qǐng) 學(xué) 位： 理學(xué)碩士 學(xué) 科 、 專 業(yè)： 凝聚態(tài)物理 所 在 單 位： 物理系 答 辯 日 期： 2010 年 7 月 授予學(xué)位單位： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文 - I - 摘 要 具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的

2、質(zhì)子導(dǎo)體以其較高的離子電導(dǎo)率和質(zhì)子遷移數(shù)以及較低的導(dǎo)電活化能等優(yōu)點(diǎn)成為中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)電解質(zhì)材料的研究熱點(diǎn)。 本課題以BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3–δ (BZCY)質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)材料，通過(guò)ZnO摻雜改善其燒結(jié)和電導(dǎo)性能，并將其應(yīng)用于單電池中。 采用溶膠凝膠法成功制備了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BZCY質(zhì)子導(dǎo)體。對(duì)樣品在不同溫度下的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)BZCY在中低溫區(qū)電導(dǎo)率較高，700℃時(shí)即達(dá)到~0.039S/cm

3、。對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行Arrhenius關(guān)系擬合，發(fā)現(xiàn)在500~650℃，650~750℃兩個(gè)溫度區(qū)間樣品的活化能分別為67.68 和 89.23 kJ/mol， 證明BZCY在中低溫區(qū)有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。 樣品的燒結(jié)性能測(cè)試表明BZCY在溫度為 1073℃時(shí)剛開(kāi)始燒結(jié)，而溫度達(dá)到1400℃時(shí)燒結(jié)仍沒(méi)有結(jié)束。同時(shí)，SEM測(cè)試顯示在 1300℃下煅燒 6h的樣品燒結(jié)情況仍然較差。采用ZnO作助燒劑改善BZCY的燒結(jié)性能，研究了不同摻雜含量及不同引入

4、方式的ZnO對(duì)樣品燒結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，ZnO以粉末直接混合形式摻入BZCY時(shí)，摻雜量達(dá)到 2mol%后，樣品的燒結(jié)性能即有明顯的改善，其初始燒結(jié)溫度降為~900℃。 而樣品電導(dǎo)率則在摻雜量為 4mol%時(shí)取得最大值。 ZnO以Zn(NO3)2熱分解形式摻入BZCY時(shí)，樣品的導(dǎo)電率及燒結(jié)性能還能得到進(jìn)一步提高。 制備并測(cè)試了以BZCY為電解質(zhì)的單電池。研究了旋涂、干壓和噴壓三種制備工藝對(duì)單電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)旋涂法制備的電解質(zhì)厚度較

5、小(~17µm)，但粉體初始堆積密度低，電解質(zhì)難以燒結(jié)致密，不但單電池開(kāi)路電壓較低，而且歐姆阻抗偏大。電池在 650 和 700℃的最大功率密度分別為 125 和 220mW/cm2。以干壓法制備電解質(zhì)時(shí)，BZCY粉體初始堆積密度較高，電解質(zhì)易燒結(jié)致密，電池的開(kāi)路電壓接近理論值， 但厚度較大(40~60µm)， 且各處厚薄不均， 電池歐姆阻抗較大。 650 和 700℃時(shí)，電池的最大功率密度分別為 165 和 212

6、mW/cm2。噴壓法制備BZCY電解質(zhì)的工藝為本文率先提出：先將BZCY懸濁液噴涂在陽(yáng)極上，得到厚度較小且分布均勻的BZCY薄層，然后加壓提高其堆積密度。該方法制備的電解質(zhì)厚度較小，薄厚均勻。電池開(kāi)路電壓較高，歐姆電阻較小。單電池在 650 和 700℃最大功率密度分別達(dá)到 375 和 527mW/cm2，較前兩種工藝有明顯提升。 總之， 本文通過(guò)對(duì)ZnO助燒的研究， 有效降低了BZCY的燒結(jié)溫度， 改善了BZCY的燒結(jié)性能。并且研究