B位摻雜LnGaO3(Ln=La,Pr,Nd)固體電解質(zhì)的制備和性能.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC），是一種新型的清潔能源，能夠直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。具有可用燃料廣、低污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、無噪聲污染、無漏液、壽命長等優(yōu)點，受到各國的普遍關(guān)注。
　　SOFC主要由陰極、陽極和夾在中間的致密電解質(zhì)三部分構(gòu)成。其中，電解質(zhì)是SOFC所有部件中重要的部件，它不僅決定了固體氧化物燃料電池的工作溫度、其他材料的選擇，更是決定了燃料電池的輸出特性。稀土鎵酸鹽是一種新型的電解質(zhì)材料，具有高的離子電導(dǎo)率，低

2、的電子電導(dǎo)或空穴電導(dǎo)，且能在較寬的氧分壓下穩(wěn)定，是最有希望用作中低溫固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料。
　　本文選擇以稀土鎵酸鹽LnGaO3（Ln=La，Pr，Nd）為研究對象，利用傳統(tǒng)的高溫固相反應(yīng)法，通過Ga位Mg摻雜，成功制備了電解質(zhì)LnGa1-xMgxO3（Ln=La，Pr，Nd；x=0，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25）。Ga位單摻Mg會在電解質(zhì)中引入氧空位、引起晶格畸變、改變晶胞體積及導(dǎo)電活化能，從而影響電解

3、質(zhì)的電導(dǎo)率。Mg在LaGaO3、PrGaO3、NdGaO3中的固溶限分別為0.2、0.2和0.15。電解質(zhì)LaGa0.8Mg0.2O3具有最高的電導(dǎo)率，在1073K時約為10.14×10-2 S/cm，略低于LaGaO3體系的最佳配比La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ（1073K的電導(dǎo)率為0.17S/cm）。973K~1173K范圍內(nèi)，LaGa0.8Mg0.2O3的離子遷移數(shù)隨著溫度的升高而增加并趨近于1，1173K時

4、可達0.98。PrGa1-xMgxO3體系的電導(dǎo)率在x=0.1時達到最高，在1073K時達到8.14×10-2 S/cm。NdGa1-xMgxO3體系的電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在x=0.15，1073K時為1.96×10-2 S/cm。三個體系中PrGa1-xMgxO3的導(dǎo)電活化能最低，PrGa0.9Mg0.1O3為0.41eV。當(dāng)溫度低于1033K后，其電導(dǎo)率超過LaGa0.8Mg0.2O3的電導(dǎo)率，為三個體系中最高的。
　　過渡金屬C

5、o摻雜提高了電解質(zhì)LaGa0.8Mg0.2O3在中低溫的電導(dǎo)率，而在高溫區(qū)的電導(dǎo)率隨著Co含量的增加先減小后增大。同時，Co摻雜可有效地降低電解質(zhì)的導(dǎo)電活化能。
　　電解質(zhì)在873K左右發(fā)生了氧空位有序?無序轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為熱膨脹系數(shù)的改變。這與電導(dǎo)率結(jié)果相吻合，對應(yīng)于低電導(dǎo)相和高電導(dǎo)相之間的轉(zhuǎn)變。
　　以LaGa0.8Mg0.2O3作為電解質(zhì)的氫?氧燃料電池的開路電壓在1V以上，說明電解質(zhì)中離子電導(dǎo)占主導(dǎo)地位，但由于銀電極阻抗