MP2O7(M=Ti,Sn)基陶瓷的制備、導電性及應用.pdf

1、燃料電池是一種能直接高效的將化學能轉變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W裝置。傳統(tǒng)的高溫質子導體ACeO3(A=Sr,Ba),AZrO3(A=Ca,Sr,Ba)和氧離子導體(YSZ)都已廣泛應用于燃料電池電解質，但是，他們的工作溫度均高于600°C，這不僅會導致電解質中金屬氧化物的揮發(fā)，也難以密封裝置。在中溫(100–600°C)下工作的離子導體不僅密封材料及連接材料有較好的選擇性，同時水、熱管理較容易。
　　最近，一類新型中溫無機固態(tài)離子導體—AP

2、2O7(A=Sn,Ti,Ge,SiZr)因在100–600°C下具有良好的離子導電性能而引起了人們的極大興趣。但至今未見Ti1-xZnxP2O7系列陶瓷樣品以及Al3+摻雜的SnP2O7-SnO2復合陶瓷材料電化學性能的報道。基于以上情況，本論文主要對MP2O7(M=Ti、Sn)基導電材料的中溫電性能進行了研究。主要研究工作及結果如下：
　　（1）第一章—緒論。簡要介紹了一些典型的固體電解質材料、無機質子導體，有關的缺陷化學及傳導

3、機制、應用等。概述了MP2O7(M=Ti、Sn)基中溫電解質材料的研究背景，提出了本論文的研究內容及研究意義。
　　（2）第二章—Ti1-xZnxP2O7的制備及中溫電性能研究。研究了磷與金屬離子的初始摩爾比例Pini/(Ti4++Zn2+)對樣品致密度的影響。采用水熱法合成Pini/(Ti4++Zn2+)=2.2樣品Ti0.92Zn0.08P2O7的致密度要高于Pini/(Ti4++Zn2+)=2.4樣品Ti0.92Zn0.08

4、P2O7的致密度。因此，采用水熱法合成了Ti1-xZnxP2O7(x=0.00,0.04,0.08,0.12)系列陶瓷樣品(Pini/(Ti4++Zn2+)=2.2)。
　　摻雜離子濃度x對樣品電導率有顯著的影響：采用水熱法合成的系列樣品的電導率：σ(x=0.00)<σ(x=0.04)<σ(x=0.12)<σ(x=0.08)。這表明，Ti1-xZnxP2O7的摻雜限度為8mol%。樣品Ti0.92Zn0.08P2O7在空氣和氫氣中

5、600°C下，電導率達到最大值3.53×10-5S·cm-1和2.45×10-3S·cm-1。
　?。?）第三章—典型樣品Ti0.92Zn0.08P2O7的制備及中溫電性能研究。固相法合成的典型樣品Ti0.92Zn0.08P2O7在空氣和氫氣氣氛中600°C下電導率達到最大值：1.36×10-5S·cm-1,2.16×10-3S·cm-1。采用固相法合成的樣品的電導率和致密度都要低于水熱法合成的樣品的電導率和致密度，這可能與不同的

6、合成方法有關。
　?。?）第四章—致密的5%Al3+摻雜的SnP2O7-SnO2復合陶瓷在中溫燃料電池中的應用。本章首先制備了未摻雜和5%(摩爾分數)Al3+摻雜SnO2的多孔性基片,然后將基片與85%的H3PO4在600°C下反應,分別得到了致密的未摻雜和5%Al3+摻雜的SnP2O7-SnO2復合陶瓷樣品。采用X射線衍射(XRD),掃描電子顯微鏡(SEM), X射線能量色散譜(EDS)測試方法對樣品進行了表征,采用電化學阻抗譜

7、法(EIS)測試了樣品在中溫(100–250°C)下,濕潤空氣和濕潤氫氣氣氛中的電導率。結果表明,在濕潤空氣和濕潤氫氣中,5%Al3+摻雜的SnP2O7-SnO2復合陶瓷樣品的電導率均高于未摻雜的SnP2O7-SnO2復合陶瓷樣品的電導率,且該復合陶瓷樣品在濕潤空氣和濕潤氫氣中250°C下,電導率分別達到最大值：4.30×10-2S·cm-1,6.25×10-2S·cm-1,高于至今報道的SnP2O7-SnO2基復合陶瓷及SnP2O7基