论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池（SOFC）为全固态装置，将化学能直接转化为电能，具有能量转化效率较高，对环境友好等特点。如果采用传统的萤石结构电解质YSZ，受其电导率的限制，SOFC的操作温度会很高（800-1000℃），但如此高的温度会带来界面反应、电池寿命降低等问题。因此，寻找中低温下具有较高离子电导率的材料对降低SOFC操作温度很关键。比较起来，掺杂LaGaO3中低温下具有较高离子电导率。J.B.Goodenough等研究发现，20％Sr和17％Mg双掺杂LaGaO3在800℃离子电导率为0.17S/cm。影响固体电解质离子电导率的因素主要有氧空位浓度、导电活化能等，其中氧空位可以通过低价离子掺杂引入。对于LaGaO3材料，降低其导电活化能是提高其中低温电导率的有效手段。众所周知，YSZ（8%Y掺杂）处于单斜和立方相的相界上，具有高的电学性能。LaGaO3晶格常数a＞b，而PrGaO3中a＜b。两种结构在A位离子半径处于La和Pr之间时发生转化，在相界上材料可达到最佳的离子电导率。因此本文选择在Sr和Mg双掺杂基础上，可通过Pr3+部分取代A位中La3+来降低LSGM电解质材料的导电活化能，从而进一步提高其中低温下的离子电导率。本文通过固相反应和高温高压两种方法制备所需样品。固相法制备La0.4Pr0.4Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3样品的导电活化能为0.81eV，明显低于未掺Pr时的1.10eV[1]。其他Pr掺杂浓度样品导电活化能为1.0eV左右，其中La0.32Pr0.48Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电导率最高，800℃时为0.142S/cm。样品离子迁移数均在0.87以上，其中La0.56Pr0.24Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3离子迁移数接近1，表明样品以离子导电为主。固相法制备样品时Ga2O3易挥发[1]，样品会偏离化学计量比，容易生成SrLaGaO4等[1]杂质，高温高压手段可避免Ga2O3挥发。高温高压方法制备的样品中， La1-xPrxSr0.2Ga0.8Mg0.2O3（x=0.24,0.32,0.48）三个样品的XRD谱图中在30°附近有一杂峰生成，其他掺杂比样品均为纯相。Pr掺杂有效地降低了导电活化能，Pr掺杂样品中导电活化能最高为0.98eV，最低为0.7eV。高温高压条件下制备的样品不含杂质，但电导率低于固相反应法制备的样品，这是由于样品中的应力造成的。高温高压方法制备的样品为绿色，加热后由于Pr3+离子转变为Pr4+变为黑色，同时样品中氧空位浓度降低，电导率下降。