Zr1-xMxP2O7(M=In、Zn、Sc)的合成、導(dǎo)電性研究.pdf

1、眾所周知，固體電解質(zhì)是一類重要的功能材料。它們在燃料電池，化學(xué)傳感器，氫、氧氣的電解制備、分離和提純，分子泵，氮的氧化物消除器，硫化氫消除器，有機物的催化氫化和脫氫，核聚變反應(yīng)堆廢氣中的重氫、超重氫等氫的同位素氣體的回收利用，常壓合成氨等方面具有十分重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　 由于中溫電化學(xué)裝置兼有高溫和低溫電化學(xué)裝置的許多優(yōu)點，因而，尋求中溫下工作的電解質(zhì)材料成為開發(fā)這類中溫電化學(xué)裝置的關(guān)鍵。最近一種新型中溫(10

2、0～400℃)質(zhì)子導(dǎo)體—焦磷酸鹽(AP2O7)引起了人們的極大興趣。Kwonetal.等發(fā)現(xiàn)焦磷酸錫(SnP2O7)在中溫下質(zhì)子電導(dǎo)率高于10-2S.cm-1且難溶于水、熱穩(wěn)定性也較高。王紹榮等研究了CeP2O7在50～250℃溫度范圍之內(nèi)的電導(dǎo)率及燃料電池性能。做為家族成員之一的ZrP2O7及其離子摻雜化合物，至今其中溫下的離子導(dǎo)電性、應(yīng)用幾乎還沒有報道。
　　 本文通過固相法、共沉淀法分別合成了Zr1-xMxP2O7(M=I

3、n、Zn、Sc)單摻雜系列離子導(dǎo)體，對其進行了表征。結(jié)果表明該系列樣品均為單一立方相結(jié)構(gòu)。以該系列樣品為固體電解質(zhì)、多孔鉑為電極，采用交流阻抗譜、同位素效應(yīng)、氣體濃差電池等方法研究了各樣品在中溫下的導(dǎo)電性能。
　　 至今尚未見到ZrP2O7及摻雜化合物做為電解質(zhì)進行燃料電池性能的研究報道。本文研究了Zr1-xInxP2O7系列樣品的燃料電池性能。此外，ZrP2O7離子摻雜化合物的陶瓷還未見報道，本文還采用固相法、共沉淀法合成了Z

4、n、Sc摻雜的ZrP2O7系列陶瓷樣品，并用電化學(xué)方法測試了其離子導(dǎo)電性能。
　　 本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　 1、探索了ZrP2O7母體的合成條件，X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)及交流阻抗測試結(jié)果表明，樣品在本實驗室條件下的最佳合成條件為:Pini/Sn為3.0，700℃燒結(jié)2h。
　　 2、以上述最優(yōu)條件為合成路線，合成了Zr1-xInxP2O7(x=0.03，0.06，0.0

5、9，0.12)系列樣品。研究了樣品在100～300℃時的電性能。研究發(fā)現(xiàn)，在100～300℃溫度下樣品的電導(dǎo)率受In3+摻雜影向:σ(x=0.03)＜σ(x=0.12)＜σ(x=0.06)＜σ(x=0.09);在100～250℃下濕潤氫氣氣氛中各樣品幾乎是純的離子導(dǎo)體，Zr0.91In0.09P2O7樣品的燃料電池測試結(jié)果表明在175℃時最大輸出功率密度為16.9mW.cm-2。表明x=0.09的樣品是一個潛在的中溫燃料電池的電解質(zhì)材料

6、。
　　 3、制備了Zr1-xZnxP2O7(X=0.00，0.03，0.06，0.10)系列電解質(zhì)樣品。XRD測試表明，Zr1-xZnxP2O7的摻雜限度為6mol％。摻雜離子濃度x對樣品電導(dǎo)率有著顯著的影響:σ(x=0.00)＜σ(x=0.03)＜σ(x=0.10)＜σ(x=0.06)。x=0.06的樣品在濕潤H2氣氛中600℃下，電導(dǎo)率達到最大值1.85×10-4S.cm-1，主要表現(xiàn)為質(zhì)子導(dǎo)電，同時具有一定程度的氧離子導(dǎo)