鋯酸鹽-無機鹽復相質子導體的設計、制備和性能研究.pdf

1、鋯基鈣鈦礦型高溫質子導體具有良好的化學穩(wěn)定性和較高的晶粒電導率，是固體氧化物燃料電池用電解質隔膜的重要候選材料。然而，燒結溫度高、總電導率偏低是其實用化面臨的最大障礙。本文在詳細研究和對比釔摻雜鋯酸鍶和鋯酸鋇燒結性能和電化學性能的基礎上，采用ZnO為燒結助劑，大幅度降低了這類質子導體的燒結溫度，縮短了保溫時間，進一步以無機鹽為第二相添加劑，設計制備了具有新型微觀結構的鋯酸鋇/無機鹽復相質子導體，詳細研究了它們的燒結性能和電化學性能。主要

2、內容如下： ⑴采用高溫固相法制備了SrZrxY1-xO3-δ（SZY）和BaZrxY1-xO3-δ（BZY）（x=0.05，0.10，0.15）系列單相粉體，在燒結溫度為1600℃，保溫時間大于6h的條件下，得到密度為95％左右的質子導體。電性能測試表明，在固溶度范圍內，隨著Y2O3摻雜量的增加，SZY和BZY的質子導電性能提高。Y2O3摻雜量為10％的SZY10在800℃的直流電導率為1.2×10-3S/cm，相對來說，同樣摻

3、雜量的BZY材料的直流電導率較低，僅為5.32×10-4S/cm?；罨芊治霰砻?，SZY比BZY具有更高的直流電導活化能，這主要與SZY晶格結構的正交畸變有關。 ⑵ZnO是SZY10（SrZr0.9Y0.1O2.95）和BZY10（Ba2r0.9Y0.1O2.95）的有效燒結助劑。研究表明，適量的ZnO（<5mol％）可以大幅度降低兩者的燒結溫度達250℃以上，保溫時間可以縮短到4h。ZnO主要以固溶取代的形式存在于SZY10和

4、BZY10晶格中，其在晶格中固溶使晶格缺陷增加是主要的促燒機理。在電性能方面，ZnO對SZY10和BZY10導電性能的影響不同。在BZY10中，材料的直流電導率隨著ZnO添加量的增加單調下降；在SZY10中，材料的直流電導率先隨ZnO的添加量增加而增加，當添加量超過5mol％以后，電導率出現(xiàn)大幅下降。電動勢測試結果表明，添加5mol％以下ZnO不會顯著改變SZY10和BZY10的質子導電特性，離子傳導系數(shù)在0.85以上。但是，當ZnO在

5、SZY10中的添加量達到6mol％時，材料的離子傳導系數(shù)急劇下降。重點從缺陷化學角度對ZnO在SZY10和BZY10中的不同影響進行了討論。 ⑶在1320～1350℃/4h的燒結條件下，制備了符合預期設想結構的系列BaZr0.9Y0.1O2.95/無機鹽（硫酸鹽、碳酸鹽和氫氧化鈉）復相質子導體，重點研究了BaZr0.9Y0.1O2.95/Na2SO4復相質子導體的燒結性能、微觀結構和電性能等。研究結果表明，BaZr0.9Y0.1

6、02.95/Na2SO4復相材料以BaZrO3的等軸晶粒為主晶相，Na2SO4主要分布于晶界處。對比單相材料BaZr0.9Y0.1O2.95，復相材料的直流電導率提高了一個數(shù)量級以上，接近10-2S/cm，離子傳導系數(shù)在0.9以上，是純質子導體。BaZr0.9Y0.1O2.95/Na2SO4復相材料具有不同于單相材料的導電機理，這是硫酸鈉在晶界處的分布造成的。 ⑷燒結溫度、保溫時間、ZnO含量以及第二相無機鹽類型是影響B(tài)aZr0