新型氧离子导体La2Mo1.8Ga0.2O9陶瓷的合成及其电性能

通过高温固相合成法首次合成了La₂Mo_1.8Ga_0.2O₉陶瓷样品. 粉末XRD结果表明, 该样品为单一立方相La₂Mo₂O₉结构. 以陶瓷样品为固体电解质、多孔性铂为电极, 采用交流阻抗谱、气体浓差电池、氧泵等方法研究了样品在600～1000 ℃下各种气氛中的离子导电特性. 结果表明, 氧浓差电池电动势的实测值与理论值吻合得很好, 氧离子迁移数为1, 表明该陶瓷样品在该温度下氧气气氛中为一纯氧离子导体; 氧泵(氧的电化学透过)实验结果进一步证实了该样品在氧气气氛中为一纯氧离子导体; 在氧分压p(O₂)＝10^－5～10⁵ Pa的高氧分压气氛中, 电导率与氧分压变化基本无关, 表明在该氧分压范围内样品为纯离子导体, 这与氧浓差电池电动势测定结果相吻合; 在低氧分压为10^－5～10^－15 Pa范围内, 总电导率随氧分压降低而稍有升高, 表明在该氧分压范围样品为氧离子与电子的混合导体; 在600～1000 ℃下氧离子电导率＞10^－2 S•cm^－1, 显著高于母体La₂Mo₂O₉的氧离子电导率, 1000 ℃时的氧离子电导率为0.07 S•cm^－1.     

氧离子导体La1.9Ba0.1Mo2O9-α的合成及其电性能研究

通过固相法合成了La_1.9Ba_0.1Mo₂O_9-α氧离子导体,对样品进行了XRD、SEM表征,采用交流阻抗谱、氧浓差电池、氧泵等电化学方法研究了该陶瓷样品在600～1 000 ℃下的离子导电特性。结果表明,该陶瓷样品在氧化性气氛中是纯的氧离子导体,1 000 ℃时的氧离子电导率达到0.09 S·cm^-1,高于母体La₂Mo₂O₉的氧离子电导率。本文还研究了样品的燃料电池性能,在1 000 ℃时氢气/氧气燃料电池的最大输出电流密度为280 mA·cm^-2,最大输出功率密度为112 mW·cm^-2。     

新型氧离子导体La2Mo1.8Ga0.2O9陶瓷的合成及其电性能

通过高温固相合成法首次合成了La₂Mo_1.8Ga_0.2O₉陶瓷样品. 粉末XRD结果表明, 该样品为单一立方相La₂Mo₂O₉结构. 以陶瓷样品为固体电解质、多孔性铂为电极, 采用交流阻抗谱、气体浓差电池、氧泵等方法研究了样品在600～1000 ℃下各种气氛中的离子导电特性. 结果表明, 氧浓差电池电动势的实测值与理论值吻合得很好, 氧离子迁移数为1, 表明该陶瓷样品在该温度下氧气气氛中为一纯氧离子导体; 氧泵(氧的电化学透过)实验结果进一步证实了该样品在氧气气氛中为一纯氧离子导体; 在氧分压p(O₂)＝10^－5～10⁵ Pa的高氧分压气氛中, 电导率与氧分压变化基本无关, 表明在该氧分压范围内样品为纯离子导体, 这与氧浓差电池电动势测定结果相吻合; 在低氧分压为10^－5～10^－15 Pa范围内, 总电导率随氧分压降低而稍有升高, 表明在该氧分压范围样品为氧离子与电子的混合导体; 在600～1000 ℃下氧离子电导率＞10^－2 S•cm^－1, 显著高于母体La₂Mo₂O₉的氧离子电导率, 1000 ℃时的氧离子电导率为0.07 S•cm^－1.     

La2-xBixCuO4阴极材料的合成与电化学性质

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了固体氧化物燃料电池阴极材料La_2-xBi_xCuO₄（x=0、0.05、0.10）,并利用X射线衍射（XRD）对材料的物相进行分析。结果表明,La_2-xBi_xCuO₄形成单一的类钙钛矿结构氧化物,且晶胞体积随着铋掺杂量的增加而增大。在950℃烧结24 h过程中,La_2-xBi_xCuO₄不与电解质Sm_0.2Ce_0.8O_1.9（SDC）发生反应,表明这种电解质材料具有良好的高温化学相容性。电导率测试结果表明Bi的掺入显著提高了材料电导率。程序升温脱附测试结果表明,铋的掺杂显著增强了材料的表面氧吸附能力。不同氧分压下的交流阻抗谱测试结果表明,La_1.9Bi_0.1CuO₄阴极在700℃空气中的极化电阻为0.26 Ω·cm²,以电解质SDC支撑的单电池NiO-SDC/SDC/La_1.90Bi_0.10O₄在700℃的最大输出功率密度为308 mW·cm^-2,电极反应的速控步骤为氧分子的扩散与表面吸附过程。     

纳米钙钛矿LaxSr1-xFe1-yCoyO3复合氧化物的制备和表征

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法，制备La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末，对该钙钛矿型氧化物进行了XRD、IR、紫外漫反射光谱及循环伏安曲线分析。结果表明：该复合氧化物粉体平均晶粒为15.3～29.8 nm,为立方和正交晶系。该氧电极具有双功能催化特性，但不完全可逆。对水溶液染料进行光解实验，利用紫外-可见、人工神经网络光度法研究La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃的催化性能。结果表明：CO²⁺的加入可使La_xSr_1-xFeO₃的光催化活性有所提高，B位离子(Fe³⁺，CO²⁺)改变与加入，使La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃(x=0.7，0.3；y=0.3，0.9，1)光催化活性高于La_xSr_1-xFeO₃。同时，对5种染料进行紫外光解，在0.75 h，脱色率大于91%，并为动力学一级反应。     

La1-xCaxMnO3纳米颗粒的制备及氧还原催化性能

本文采用溶胶凝胶法制备了一系列不同Ca含量的钙钛矿型氧化物La_1-xCa_xMnO₃(x=0~0.4)纳米颗粒, X射线粉末衍射及精修、扫描电镜表征显示其相纯度和结晶度高, 颗粒平均粒径约40 nm。在0.1 mol·L^-1 KOH水溶液中进行的氧还原电催化性能测试显示, La_0.7Ca_0.3MnO₃样品催化活性最高, 表观电子转移数接近4, 还原电流密度与Pt/C催化剂相当, 而催化稳定性优于Pt/C。进一步研究了La_1-xCa_xMnO₃样品中Mn价态、晶胞参数的改变对氧还原催化活性的影响, 结果表明当x=0.3时, 催化剂中Mn处于混合价态, Mn-O键长适中, 最有利于电催化反应。     

BaCe0.8-xNbxGd0.2O3-δ(0≤x≤0.45)的制备及性能研究

采用高温固相反应法制备了质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)。结合XRD、SEM、EIS等技术对其物相、微观形貌、稳定性及电导率进行了研究。结果表明,在1 600 ℃烧结5 h制备的质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)均能保持主相为斜方晶的钙钛矿结构。Nb的加入可明显提高烧结样品的致密性及在CO₂和水蒸气气氛下的稳定性。在湿润H₂/Ar(0.4%,V/V)气氛中800 ℃下,x=0.1样品的电导率为5.73 mS·cm^-1,电导活化能为0.35 eV,与x=0的样品相当。     

La1-xCaxFeO3-δ系阴极材料的GNP法合成及电性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了LaFeO₃及La_1-xCa_xFeO_3-δ(x=0.1～0.5)系列粉体，用TG-DTA、XRD、TEM、SEM等对产物形成过程及微结构进行了表征。结果表明，所合成的系列样品均形成钙钛矿结构的单相固溶体。在x≤20mol%的Ca含量范围内，产物为正交钙钛矿结构；当x>30mol%时，转变为立方钙钛矿相。相同条件下产物的衍射峰强度、晶胞体积及晶粒尺寸都随Ca含量的增大而减小。采用直流四端子法测量了烧结体在中温(450～800 ℃)区的电导率。掺杂使样品导电能力显著增强，电导率随Ca²⁺掺入量的增大先增大后减小，La_0.6Ca_0.4FeO_3-δ样品的电导率最高。在低温段，各样品的导电行为符合小极化子导电机制，导电活化能为13.67～22.70 kJ·mol^-1。     

La1-xSrxCoO3（x=0，0.2，0.4，0.6，0.8）钙钛矿型氧化物的催化性能及改性

通过溶胶-凝胶法制备出A位Sr掺杂的钙钛矿型氧化物La_1-xSr_xCoO₃（x=0,0.2,0.4,0.6,0.8）,并将其作为催化剂应用于双功能氧电极中。测试结果表明,A位Sr的掺杂的La_1-xSr_xCoO₃比LaCoO₃具有更高的电催化活性,并且La_0.6Sr_0.4CoO₃在氧还原和氧析出反应中均表现出最优的催化性能,最大电流密度分别达到0.244 A·cm^-2（-0.6 V vs Hg/HgO）和0.303 A·cm^-2（1 V vs Hg/HgO）。为进一步提高催化剂的催化活性,将水热法制备的α-MnO₂纳米管与La_0.6Sr_0.4CoO₃复合作为双功能催化剂。当α-MnO₂的质量分数为40%时,比起单一的α-MnO₂或钙钛矿氧化物,α-MnO₂/La_0.6Sr_0.4CoO₃复合材料表现出协同效应,有更好的双功能电催化活性,使双效氧电极具有更好的电化学性能及稳定性。     

锶掺杂对La1-xSrxNbO4-σ质子导体性能的影响

利用高温固相反应法制备了Sr掺杂LaNbO₄质子导体La_1-xSr_xNbO_4-σ(0≤x≤0.02),并且对其性能进行了表征。XRD分析表明,所有的样品具有单斜结构,晶胞体积随Sr掺杂量的增加而增大;La_1-xSr_xNbO_4-σ样品在沸水中和二氧化碳气氛中具有很好的化学稳定性。SEM分析表明,La_1-xSr_xNbO_4-σ粉体经1500℃烧结8h后均得到致密的、晶粒均匀的样品;Sr的掺杂抑制了陶瓷体裂缝的产生和晶粒的过度增长;随Sr的掺杂量增加,晶粒变小。交流阻抗谱分析表明,Sr掺杂改变了LaNbO₄的电导率,其中样品La_0.995Sr_0.005NbO_4-σ具有最高的电导率;样品在25℃水汽饱和的5%H₂-Ar气氛下的电导率明显高于干燥空气气氛,在800℃时,La_0.995Sr_0.005NbO_4-σ电导率达到0.003S·cm^-1,电导活化能为0.44eV。     

溶胶-凝胶法合成Li1-xNaxMn2O4及其作为水系锂离子电池正极材料的电化学性能

用溶胶凝胶法合成了Na⁺离子掺杂的Li_1-xNa_xMn₂O₄(x=0,0.01,0.03,0.05)。X射线衍射图表明Na⁺取代Li⁺进入Li_1-xNa_x Mn₂O₄晶格中,扫描电镜图看出产物是粒径为100~300 nm的颗粒。恒流充放电测试结果表明,Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄在2C倍率下循环100圈后放电容量保持率比未掺杂的LiMn₂O₄从51.2%提升到84.1%。循环伏安测试表明Na⁺离子掺杂降低了材料极化且增大了锂离子扩散系数。10C倍率下Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄仍有79.0 mAh·g^-1的放电容量,高于未掺杂样品的52.1 mAh·g^-1。Na⁺离子掺杂可以稳定材料结构并提高锂离子扩散系数,从而提高LiMn₂O₄的电化学性能,是一种可行的改性方法。     

Ce1－xNdxO2－δ固溶体的电子顺磁共振谱和阻抗谱的研究

利用溶胶-凝胶方法在800 ℃焙烧10 h后, 合成了固溶体Ce_1－xNd_xO_2－δ (x＝0.05～0.55), X射线衍射(XRD)测试表明固溶体已经形成立方萤石结构; 电子顺磁共振谱(EPR)研究表明在固溶体Ce_1－xNd_xO_2－δ中随着掺杂量x的增大, Ce^3＋离子含量减少, 说明掺杂Nd^3＋离子可以抑制Ce^4＋的还原; 交流阻抗谱的测量表明固溶体Ce_0.9Nd_0.1O_2－d 具有离子导电特性, 600和700 ℃时的电导率分别为4.25×10^－3和1.12×10^－2 S•cm^－1, 活化能为0.68 eV.     

CexPr1-xO2-δ复合氧化物的XRD和Raman表征

A series of Ce_xPr_1-xO_2-δ mixed oxides were synthesized by sol-gel method and characterized by Raman and XRD techniques. When x value was changed from 1.0 to 0.5, only a cubic phase CeO₂ was observed. The samples were very well crystallized on decreasing x from 0.50 to 0.99. For Ce_xPr_1-xO_2-δ samples 465 cm^-1 and 1 150 cm^-1 Raman peaks are attributed to the Raman active F_2g mode of CeO₂. The broad peak at about 570 cm^-1 in the region of 0.3 ≤x≤ 0.99 can be linked to lattice defects resulting in oxygen vacancies. The new band at about 195 cm^-1 may be attributed to the asymmetric vibration caused by the formation of oxygen vacancies. Calcination temperatures had great effect on the peak intensity for CeO₂ but less effect on Ce_0.8Pr_0.2O_2-δ in Raman spectra. It might be due to the transformation of the colors for the mixed oxides, the insertion of Pr atom into the ceria lattice could enhance the sintering resistance and thermal stability of the mixed oxides.     

Ba0.4Sr0.6Co1-xFexO3-δ系阴极材料的制备和表征

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ(x=0.0～0.8)系列粉体。利用XRD和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析,用直流四端子法测量了烧结陶瓷体在中温(450～800 ℃)范围内的电导率。结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Fe含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移。电导率随着温度及Fe含量的变化出现极大值,在x＜0.2时,Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ系列烧结体在中温(450～800 ℃)区的电导率,随Fe掺入量的增大而增大,x=0.2样品的电导率最高,800 ℃时达244.7 S·cm^-1,远超过文献报道值,进一步增大Fe含量导电性能变差。     

钙钛矿型LaxSr1－xNi1－yCoyO3光电催化活性研究

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法, 制备La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末, 对钙钛矿氧化物进行了XRD结构分析. 在通氧或不通氧下测试氧还原和氧析出的循环伏安曲线. 结果表明: 该氧电极具有双功能催化特性, 但不完全可逆. 利用汞灯作为激发光源, 进行几种水溶性染料和五种混合染料光解实验, 利用紫外-可见、红外以及人工神经网络光度法研究La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的催化性能. 结果表明: La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃ (x＝0.7, 0.9, 1; y＝0.3, 0.75)复合氧化物都具有较强光催化特性; La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的光催化活性高于La_xSr_1－xNiO₃, 这与B位离子(Ni^2—, Co^2－)的电子构型有关; Co^2＋的加入可使La_xSr_1－xNiO₃的光催化活性有所提高.     

BaCe0.7Zr0.2La0.1O3-α陶瓷的制备和导电性

以高温固相反应法合成了BaCe_0.7Zr_0.2La_0.1O_3-α陶瓷。粉末XRD结果表明,该陶瓷材料为单一钙钛矿型BaCeO₃斜方晶结构。以陶瓷材料为固体电解质、多孔性铂为电极,采用交流阻抗谱技术和气体浓差电池方法分别测定了材料在500～900 ℃下,干燥空气、湿润空气和湿润氢气中的电导率以及离子迁移数,研究了材料的离子导电特性。结果表明,在500～900 ℃下干燥空气中,陶瓷材料的最大电导率为1.8 mS·cm^-1,氧离子迁移数为0.14～0.04,是一个氧离子与电子空穴的混合导体。在湿润空气中,陶瓷材料的最大电导率为2.0 mS·cm^-1,质子迁移数为0.48～0,氧离子迁移数为0.25～0.10,是质子、氧离子和电子空穴的混合导体。在湿润氢气中,陶瓷材料的最大电导率为3.6 mS·cm^-1。在500～700 ℃温度范围内,陶瓷材料的质子迁移数为1,是纯的质子导体;而在800～900 ℃温度范围内,陶瓷材料的质子迁移数为0.93～0.91,是质子与电子的混合导体,质子电导占主导。     

La3+掺杂CaFe2O4材料的制备及室温检测超低浓度甲醛

采用静电纺丝法成功制备了La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料的结构和形貌进行了表征。随后，研究了La³⁺的掺杂量（质量分数）对CaFe₂O₄气敏性能的影响。研究表明，3% La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料在室温下对100 μL·L^-1甲醛的响应最高（R_a/R_g=14.1）。更为重要的是，对甲醛的最低检测限低至0.1 nL·L^-1，并且响应/恢复时间仅为4.3 s/8.4 s。     

Y1-xCaxBaCo2O5+δ的制备和性能表征

利用固相反应法合成了层状钙钛矿钴氧化物Y_1-xCa_xBaCo₂O_5+δ(x=0,0.1,0.15,0.2)材料,系统研究了材料的氧吸附性能和电输运性质。XRD结果表明Ca²⁺掺杂的样品具有母相YBaCo₂O_5+δ层状钙钛矿结构,随着Ca²⁺掺杂量的增加,样品的晶格参数增大。TG结果显示：从室温到1 273 K,所有样品经历了两次吸氧和脱氧的过程,Ca²⁺掺杂增强了样品的氧脱附性能。在中低温下,约650 K附近,吸氧量达到最大,同时,样品发生了半导体金属转变。Ca²⁺掺杂量的增加,半导体金属转变温度增大,电导率下降。半导体金属转变与氧变化量δ有关而电导率下降与Ca²⁺掺杂引起Co³⁺离子的增加有关。     

锂离子电池正极材料LiNi0.75-xCoxMn0.25O2的合成及电化学性能研究

以LiOH·H₂O、Ni(OAc)₂·4H₂O、Co(OAc)₂·4H₂O和MnO₂为原料，在水热反应釜中预处理，然后进行高温固相反应，合成了一系列锂镍钴锰氧化物LiNi_0.75-xCo_xMn_0.25O₂(x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）和电化学性能测试对所得样品的结构、形貌、粒径及电化学性能进行了表征。结果表明，当x=0.20时，所合成的正极材料具有很好的α-NaFeO₂型层状晶体结构，晶胞参数a=0.286 1 nm，c=1.416 4 nm， V=0.100 4 nm³，以50 mA·g^-1的电流密度在3～4.3 V(vs Li/Li⁺)充放电时，首次放电比容量达172.5 mAh·g^-1，首次放电效率高达90.9%，30个循环后其放电比容量依然保持在161.1 mAh·g^-1。     

Mg掺杂In2O3-x催化剂光热催化CO2加氢

为提高光热催化CO₂加氢催化剂In₂O₃的催化活性,采用均相水热法制备Mg(OH)₂-In(OH)₃前驱体,通过高温煅烧和H₂-还原处理得到了富含氧空位的Mg掺杂In₂O_3-x(Mg-In₂O_3-x)催化剂。在300℃、常压、可见光照射条件下,CO₂加氢转化为CO的CO₂转化率可达31.20%,CO产生速率为14.22 mmol·gcat^-1·h^-1,CO选择性为100%。相比于单一In₂O_3-x催化剂,Mg-In₂O_3-x催化剂光热催化CO₂转化率及CO产生速率明显提高,这归因于Mg成功掺杂到In₂O₃形晶格中,促进In₂O₃表面氧空位的形成,进而对可见光响应效率大幅提高,并有效减缓光生电子-空穴的复合。