燃烧法制备多位掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料

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固体氧化物燃料电池(SOFC)在全球能源市场有着广阔的应用前景,因此对于其核心部件固体电解质的开发研究有着重要的现实意义。现今高性能电解质材料不再限制于以往的萤石型电解质和钙钛矿型电解质,随着对电解质材料的研究,磷灰石型硅酸镧基电解质材料(LASMO)在中温范围(500-800℃)具有高的电导率,并且在很宽的氧分压范围内几乎没有电子电导产生,已经成为最具潜力的高性能电解质材料之一。本论文研究采用燃烧法对LASMO电解质材料进行多位掺杂的工艺条件,初步探讨多位掺杂对电导性能的增强机理,具体内容如下:首先通过尿素-硝酸盐燃烧法制备多位掺杂LASMO电解质粉体,并对其进行物相组成分析。煅烧后电解质粉体结晶度高,形成了完整的p63/m磷灰石型晶体结构,且多位掺杂未明显改变电解质粉体的物相结构。计算得到La9.33CaxSi6-yZnyO25+x的平均晶粒尺寸为29.2nm,La9.33SrxSi6-yZnyO25+x的平均晶粒尺寸为30.5nm,La9.33BaxSi6-yZnyO25+x的平均晶粒尺寸为32.2nm,表明燃烧法制备得到的LASMO电解质粉体晶粒尺寸均在纳米范围内,有利于电解质片的烧结。其次采用烧结法制备得到LASMO电解质片,研究烧结温度、掺杂含量对LASMO电解质的表面形貌和电学性能的影响,得出多位掺杂的最佳工艺参数。Ca、Zn多位掺杂La9.33CaxSi6-yZnyO25+x电解质最佳烧结温度为1500℃,Ca掺杂量x=0.2、Zn掺杂量y=1.0时致密度高,且对La9.33CaxSi6-yZnyO25+x电解质的电导率提升最高,测试温度为800℃时La9.33CaxSi6-yZnyO25+x电解质其电导率可达3.58×10-3S/cm。Sr、Zn多位掺杂La9.33SrxSi6-yZnyO25+x电解质的最佳烧结温度为1400℃,Sr掺杂量x=0.2、Zn掺杂量y=1.0时致密度高,测试温度为800℃时La9.33SrxSi6-yZnyO25+x电解质电导率可达5.43×10-3S/cm。Ba、Zn多位掺杂La9.33BaxSi6-yZnyO25+x电解质的最佳烧结温度为1400℃,Ba掺杂量x=0.3、Zn掺杂量y=1.0时致密度高,测试温度为800℃时La9.33BaxSi6-yZnyO25+x电解质的电导率可达2.34×10-2S/cm。最后,采用XPS对多位掺杂LASMO电解质的化学成分进行表征,测试结果表明掺杂前后的XPS全谱图对应良好,多位掺杂未显著改变电解质的化学结构。同时,多位掺杂LASMO电解质的电导率和测试温度关系符合Arrehenius公式,表明多位掺杂后的LASMO电解质具有良好的稳定性。LASMO电解质电导机理属于间隙氧传导机制,适量的离子掺杂可以增加电解质晶体结构中的间隙氧数量,进而提高电解质的电导率。
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