Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质的电子电导性研究

应用溶胶-凝胶法制备了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质粉体,通过X射线衍射对所制备的电解质粉体进行了物相分析。研究表明,Sm2O3已经固溶到CeO_2中形成了具有萤石结构CeO_2基固溶体。经成型并在1450℃下烧结2 h获得致密的Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质。通过组装含有氧离子阻塞电极电池(-)致密Al2O3,Pt|Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(SDC)固态电解质|Pt,O2(+)测试空气中不同温度下的电子电导。应用扫描电子显微镜观察所制备试样的微观组织形貌,结果表明:制备的电解质组织致密,高温粘合剂、电解质及刚玉坩埚结合紧密,保证了阻塞电极的气密性。采用Hebb-Wagner离子阻塞电极法测定了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)在空气气氛下的电子导电性。结果显示:在测量温度范围内Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质的电子电导率在1×10-8~1×10-6m S·cm-1之间,经计算得出活化能的平均值为0.9885 e V。     

中温固体氧化物燃料电池La_(0.8-x)Bi_xSr_(0.2)FeO_(3-δ)阴极材料研究

通过高温固相法制备出La_(0.8-x)Bi_xSr_(0.2)FeO_(3-δ)(LBSF)阴极粉体和铒稳定氧化铋(ESB)电解质粉体,通过XRD分别确定其成相温度以及相互之间的化学相容性;以LBSF作为阴极, ESB作为电解质,构成LBSF|ESB|LBSF对称电池,利用交流阻抗法测试阴极的极化行为;用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构。结果表明:通过固相合成的LBSF阴极材料呈立方钙钛矿结构。在同一温度下,电导率随Bi_2O_3的掺杂量增加而降低;但极化阻抗随着Bi_2O_3的掺杂量增加而降低,当x=0.4时, LBSF(0.4)的极化阻抗达到最小, 650℃时为1.05Ω·cm~2, 900℃时低达0.17Ω·cm~2。研究结果表明:LBSF是良好的固体氧化物燃料电池阴极材料。     

复合电解质Ce0.8Gd0.2O2-α-(Li/K)2CO3的中温燃料电池性能

用溶胶凝胶法低温(900℃,通常高温烧结温度为1400℃)制备了Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-α),并与(Li/K)_2CO_3共熔体进行复合。XRD结果表明(Li/K)_2CO_3与Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-α)复合后没有发生化学反应,SEM结果表明复合电解质致密无孔洞。考察了复合电解质在400~600℃下干燥氮气气氛中的电导率,结果表明,温度为600℃时,复合电解质的电导率达到最大值6.4×10~(-2)S·cm~(-1),高于单一CeO_2材料在相同条件下的电导率。氧分压与电导率关系曲线表明复合电解质具有良好的氧离子导电性。H_2/O_2燃料电池性能测试表明,复合电解质GDC-SG-LK在600℃开路条件下的电解质阻抗、极化阻抗分别为2.7和0.8Ω,最大输出功率密度为267mW·cm~(-2)。     

缓冲溶液法制备氧化钐稳定氧化锆纳米粉体及其表征

以硝酸盐为前驱体、NH3·H2O-NH4HCO3为复合沉淀剂，采用缓冲溶液法制备了含4％～12％（摩尔分数）Sm2O3的ZrO2粉体。通过X射线衍射、透射电镜及比表面吸附法等对所得粉体的相结构、形貌和粒度进行了测定。所得粉体经冷等静压成形后，在1300～1500℃下烧结5h，得到烧结体。采用阿基米德法（水介质）测定了烧结体的密度，采用扫描电镜对烧结体的微结构进行了观测，并通过交流阻抗谱法测定了烧结体的电导率。实验结果表明：当Sm2O3掺杂量大于8％时，在600℃煅烧共沉淀物可得到具有立方结构的氧化钐稳定氧化锆（SSZ）粉体，其颗粒形状规则，粒径在10～20nm。随着Sm2O3掺杂量的增加和烧结温度的升高，烧结体的相对密度增加，1500℃烧结的掺杂12％Sm2O3的ZrO2（12SSZ）烧结体的相对密度为96．91％。在500～800℃的测量范围内，SSZ烧结体的电导率与温度成线性关系，12SSZ在800℃时的电导率可达0．043S·cm^-1，电导活化能为0．72eV。     

Sr(Ce_(0.6)Zr_(0.4))_(1-x)Y_xO_3质子电解质的合成研究

采用Pechini法合成了Sr(Ce_(0.6)Zr_(0.4))_(1-x)Y_xO_3(SCZY,x=0.10, 0.15, 0.20)电解质粉体,将所制粉体模压成型后在1450℃煅烧10 h得到固体电解质。采用XRD研究掺杂量和煅烧温度对粉体相纯度的影响,通过SEM观察粉体和电解质的微观结构,用电化学阻抗谱法测量电解质的电性能。结果表明:1000℃煅烧后的SCZY粉体(x=0.15)为纯的钙钛矿相,粉体晶粒尺寸随煅烧温度升高而明显长大。高速球磨能有效改善粉体的团聚情况,得到亚微米粉体,由此压制的质子电解质更加致密,没有微孔等缺陷, 800℃的电导率为7.94×10~(-3) S·cm~(-1)。     

Ce_(1-x)Ca_xO_(2-x)的溶胶-凝胶法的合成及其性质

用溶胶 -凝胶法合成了 Ce1-x Cax O2 -x(x=0～ 0 .3 5 )系列固体电解质 ,系统地研究了其晶体结构随Ca O含量的变化关系 .XRD测试表明 ,该体系于 1 60℃即形成萤石结构纯相 .高温 XRD表明 ,从室温至80 0℃ ,Ce1-x Cax O2 -x(x=0～ 0 .3 5 )未出现结构相变 .此法合成温度远低于传统的高温固相合成法和水热合成法的温度 .合成物的颗粒小 ,粒度均匀 .在 1 3 0 0℃即可烧结成高致密度样品 .XPS测试表明 ,掺杂 Ca O后吸附氧浓度明显增大 ,氧空位增多 ,电导率和氧离子迁移数增大 ,改善了 Ce O2 基固体电解质的性能 .     

固体电解质Ce_(0.9)Er_(0.1-x)Pr_xO_(1.95+δ)的微观结构及电性能

采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了固体电解质Ce0.9Er0.1-xPrxO1.95+δ(x=0.02~0.08),利用X射线粉末衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和交流阻抗谱研究了样品的微观结构和电性能.XRD结果表明,800℃煅烧的所有样品均形成了单相立方萤石结构;Raman光谱结果表明,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ具有氧缺位的立方萤石结构;XPS分析表明,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ存在氧缺位,Pr3+离子和Pr4+离子共存;AFM观测结果表明,1300℃下烧结的样品比1400℃下烧结的样品致密;交流阻抗谱结果表明,Pr掺杂量x=0.05时,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ的电导率最高(σ600℃=1.34×10-2S/cm,Ea=0.90 e V),比未掺杂Pr的Ce0.9Er0.1O1.95(σ600℃=8.81×10-3S/cm,Ea=0.92 e V)提高了52%,说明在Ce0.9Er0.1O1.95中适量掺杂Pr可提高材料的电导率,降低活化能.     

YxTi2On(1.7≤x≤2.1)系固态电解质的共沉淀法合成及电导率研究

以TiCl3、YCl3溶液和氧化钛、氧化钇为原料,通过共沉淀法和固相法制备了YxTi2On(1.7≤x≤2.1,x=1.7,1.8,1.9,2.0,2.1)系烧绿石型固态电解质样品。粉体经700℃处理后在透射电镜下可见其粒径小于100 nm的晶粒。用共沉淀法制得的样品通过1500℃/5 h烧结后的相对密度近94%,且比用固相法经1550℃/5 h烧结所获相同组成样品的相对密度明显要高。X衍射表明样品A(x=1.7)的主晶相为烧绿石和二氧化钛,而样品D(x=2.0)和E(x=2.1)都为烧绿石。从扫描电镜照片可见,样品E的晶界随着烧结温度的提高变得更清晰,晶体生长也更充分。随着Y2O3含量的增加,YxTi2On(1.7≤x≤2.1)系电解质的电导率随之增加。用共沉淀法所得样品的电导率明显高于相应固相法所得样品。随烧结温度和测量温度的提高,样品E的电导率增加。     

Sc~(3+)掺杂LiMn_xSc_(1-x)O_2材料的合成及电化学性能研究

采用水热反应的方法,以LiOH·H_2O,MnOOH和Sc_2O_3为原料,合成了一系列Sc~(3+)掺杂的锂离子电池正极材料LiSc_xMn_(1-x)O_2(x=0.01,0.02,0.03,0.05).利用X射线衍射和X光电子能谱测试研究了材料的结构和元素的化学状态.掺杂后的LiSc_xMn_(1-x)O_2材料仍保持正交相结构.电化学测试结果表明,掺杂后材料表现出较好的电化学性能,Sc~(3+)的掺入使材料的循环稳定性能大幅度提高,掺杂量为2%时LiMn_(0.981)Sc_(0.019)O_2材料的初次放电容量为140.5 mAh·g~(-1),60次循环后放电容量高达169.6 mAJl·g-.,远高于未掺杂的LiMnO_2材料的放电容量107.7 mAh·g~(-1).这种提高源于Sc~(3+)的加入,很好地起到了稳定晶体结构、有效抑制Jahn-Teller效应的作用.电化学阻抗测试结果表明,Sc~(3+)的掺人能改善材料的导电性能.     

水热共还原法制备La_2O_3掺杂W-Cu复合粉末工艺研究

以水热合成法为基础,制备了La2O3掺杂量为2.0%(质量分数)的W-20Cu复合粉体,并通过SEM,HRTEM,DTA/TG及XRD等手段对复合粉体的物相、形貌和微观结构进行了表征。结果表明:水热共沉淀法制备稀土La2O3掺杂W-Cu复合粉时,对应前驱溶液的最佳p H为5.5。与不加稀土相比,水热产物分解温度降低,470℃煅烧2 h后,La与W形成复合氧化物La2W3O12,且分解形成的WO3相依附La(OH)3生长,其结晶性提高。在推杆式还原炉850℃于H2介质中还原2 h后,煅烧粉完全被转化为W,Cu和La2O3,HRTEM表征发现La2O3吸附在W和Cu颗粒的表面,阻止晶粒的长大,有望提高还原粉体的烧结性能。     

新型导电陶瓷Sm_0.9St_0.1Al_0.5Mn_0.5O_(3-δ)的制备及其电性能研究

采用有机凝胶法结合固相烧结技术制备了Sm_0.9St_0.1Al_0.5Mn_0.5O_(3-δ)(SSAM9 155)新犁导电陶瓷.通过TG/DTA,FTIR, XRD,SEM和直流四引线法系统研究了凝胶前驱体的热分解及其相转化过程和烧结体的结构、相稳定性、微观形貌、电导率以及电输运机制.结果表明,凝胶前驱体在900℃焙烧5 h可以形成完全晶化的四方钙钛矿相纳米粉体;高温烧结制得的SSAM9155陶瓷的电导率取决于P型电导,电导率随温度的升高而增大,导电行为符合P型小极化子跳跃机制;随烧结温度的升高或保温时间的延长,SSAM9155陶瓷的电导率和相对密度都先增大后减小,1600℃烧结10 h制得的SSAM9155陶瓷具有最高的电导率和相对密度(98%),该样品在空气和氢气气氛中850℃时的电导率分别为8.21和1.26 S·cm~(-1),表观活化能分别为0.265和0.465 eV.具有较高电导率的Sr,Mn掺杂的SmAlO_3导电陶瓷有望成为一种新型的固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料.     

低温燃烧法制备掺杂NiO的Beta-Al_2O_3固体电解质

以Li_2O为稳定剂,柠檬酸(CA)为络合剂,采用溶胶-凝胶低温燃烧法制备掺杂Ni O的Beta-Al_2O_3固体电解质.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重/差热(TG/DSC)分析及抗弯强度、体积密度和交流阻抗测试研究了固体电解质的结构与性能.结果表明,当NiO的含量(质量分数)达到0.10%时,Beta-Al_2O_3固体电解质的形貌致密,β″相含量达到88.33%,相对体积密度为99.75%,抗弯强度为248 MPa,350℃下的电导率为0.108 S/cm.     

锶掺杂对La_(1-x)Sr_xNbO_(4-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La1-xSrxNbO4-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;La1-xSrxNbO4-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,La1-x Srx NbO4-σ粉体经1 500℃烧结8 h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La0.995Sr0.005NbO4-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,La0.995Sr0.005NbO4-σ电导率达到0.003 S·cm-1,电导活化能为0.44 eV。     

MgO和Fe2O3的添加对GDCSi体系微观结构及电化学性能的影响

采用溶胶凝胶法制备Gd_0.2Ce_0.8O_3-δ +0.05%（质量分数）SiO₂（GDCSi）电解质。在GDCSi体系中加入Fe₂O₃及MgO可达到降低烧结温度的同时提高晶界电导率，并减小杂质SiO₂对氧离子在晶界处传输的阻碍的目的。将MgO和Fe₂O₃单掺杂或双掺杂在GDCSi体系中并对GDCSi基电解质的微观形貌及电性能进行研究。结果表明，所有样品主要由立方萤石结构相组成；物质的量分数4%MgO单掺杂的GDCSi-M、物质的量分数4%Fe₂O₃单掺杂的GDCSi-F以及物质的量分数2%MgO-物质的量分数2%Fe₂O₃共掺杂的GDCSi-MF均可促进GDCSi体系晶粒增长，降低晶粒间孔隙率，提高电解质的相对密度，降低晶粒电阻R_gi、晶界电阻R_gb及总电阻R_t；GDCSi-MF具有最高晶界电导率和总电导率，在400 ℃时GDCSi-MF的晶界电导率σ_gb和总电导率σ_t分别是GDCSi的10.41和1.82倍。     

双钙钛矿Sr_2FeMn_(1-x)Co_xO_6催化剂的制备及其催化性能

通过溶胶凝胶法制备了一系列双钙钛矿催化剂Sr_2FeMn_(1-x)Co_xO_6(x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9),其结构经XRD,BET,H_2-TPR和SEM表征。以催化甲烷燃烧为模板反应,考察掺杂不同量Co~(2+)对Sr_2FeMn_(1-x)Co_xO_6催化性能的影响。结果表明:催化剂经800℃焙烧后可形成完整的双钙钛矿晶型,且Co离子掺杂量不同其催化活性不同,当Co离子掺杂量为0.3时,催化剂Sr_2FeMn_(0.7)Co_(0.3)O_6具有较高的催化活性,样品比表面积为9m~2·g~(-1),起燃温度T_(10%)为442℃,T_(90%)为654℃,Fe~(3+)、Mn~(2+)、Co~(2+)之间有一定协同作用。     

Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12掺杂BaTiO3基X8R陶瓷微观结构与介电性能

研究了Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12掺杂对钛酸钡基陶瓷微观结构和介电性能影响。结果表明,掺杂Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12后钛酸钡基陶瓷晶粒明显长大,同时烧结温度可由1 280℃降低至1 180℃。系统的介电性能和Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12的掺杂量有密切关系。当Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12的掺杂量从0.5mol%增加到2mol%,体系的居里峰被明显压低和展宽,当掺杂量为2mol%时居里峰变得不明显。当Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12的掺杂量从0.5mol%增加到2mol%,系统的居里温度由131℃升高至139℃。当Bi4(Ti1/3Sn2/3)3O12的掺杂量为1mol%时,钛酸钡基陶瓷介电常数为1 930,介电常数温度变化率为5%(-55℃),13%(134℃),-8%(150℃),满足X8R标准。     

改进注浆法制备(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08电解质薄管的电学性能及应用

用改进注浆法制备出长度为226－266mm，厚度为0.4-0.9mm，相对密度为96.7%的（ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的电解质薄管，用SEM和交流阻抗谱研究了样品的微结构和电学性能，分析了烧结密度、晶粒和晶界对样品电学性能的影响，考察了用该电解质薄管组装的固体氧化物燃料电池的性能。结果表明：样品的致密度随烧结温度的升高而逐渐增大，样品的微结构对其电学性能有强烈的影响，样品的电学性能随烧结密度的增加而增大，晶粒电导率和晶界电导率也随烧结温度升高而得以改善，1650℃烧结的样品具有较好的烧结性能。单电池的最大开路电压和短路电流分别为0.946V和1.84A，850℃时最大输出功率为0.46W。     

掺杂Sm_2O_3对Y-ZrO_2陶瓷烧结行为和性能的影响

一定量的Sm2O3粉末与3%Y2O3(摩尔分数)稳定的四方ZrO2粉体(Y-ZrO2)经球磨混合、造粒后,在钢模中压制成形,所得压坯在1450~1600℃下烧结后,得到不同Sm2O3掺杂量的Sm2O3掺杂Y-ZrO2(SY-ZrO2)陶瓷烧结体。对不同温度下烧结所得烧结体试样的相组成、密度、电导率、硬度以及抗弯强度等性能进行了测试分析。实验结果表明:将适量的Sm2O3掺入Y-ZrO2中,可以获得具有立方结构的SY-ZrO2陶瓷烧结体,且其密度、硬度和抗弯强度与Sm2O3的掺杂量有关;Sm2O3的加入提高了Y-ZrO2陶瓷的电导率,掺杂0.5%Sm2O3的SY-ZrO2陶瓷800℃时在空气中的离子电导率可达0.02 S.cm-1。本试验的初步实验结果显示,采用二元稀土氧化物(Sm2O3和Y2O3)复合掺杂ZrO2陶瓷材料,可以在保持其良好力学性能的同时,提高其电导率,拓展其应用领域。     

BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)的溶胶-凝胶法合成及其电性能

用溶胶-凝胶法合成了BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)固体电解质前驱体，并以低 于通常固相反应150～250 ℃的温度（即1400～1500 ℃）进行了烧结。以烧结体样 品为固体电解质、多孔性铂为电极，组成氢及氧浓差电池、氢-空气燃料电池，测 定了BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)烧结体的质子和氧离子迁移数以及燃料电池的性 能，并与高温固相反应法合成的样品进行了比较。结果表明，烧结温度能显著影响 溶胶-凝胶法合成样品的质子迁移数及燃料电池性能。烧结温度≥ 1450 ℃时，质 子迁移数近似为1，燃料电池性能亦较高，烧结温度< 1450 ℃时，质子迁移数< 1 ，燃料电池性能亦较低。在1400～1500 ℃烧结的样品中，1450 ℃下烧结的样品具 有最高的电池性能，接近于高温固相反应法合成的样品。     

Mo掺杂对高纯Ce1-xNdxO2-x/2(x=0.10, 0.15)体系烧结温度及晶界电性能的影响

用柠檬酸硝酸盐法制备高纯Ce1-xNdxO2-x/2(x=0.10, 0.15)固溶体, 加入摩尔分数为5%的Mo, 研究了Mo掺杂对烧结温度、结构及电性能的影响. 通过X射线衍射、电感偶合等离子体和场发射扫描电镜等手段对氧化物进行了结构表征, 采用交流阻抗谱测试其电性能. 柠檬酸硝酸盐法制备的前驱体经1450 ℃烧结24 h得到致密度大于96%的陶瓷材料; 加入5%Mo, 在1250 ℃下烧结8 h即可达到理想的致密度(>95%). 加入Mo在烧结过程中可加快晶界迁移, 促进晶粒生长, 显著提高了晶界电导率. 在600 ℃时Ce0.85Nd0.15O1.925的晶界电导率为2.56 S/m, 加入Mo后材料的电导率增加到5.62 S/m.