ZnO對(duì)Y摻雜BaCeO-,3--BaZrO-,3-固溶體的燒結(jié)行為及其電性能研究.pdf

1、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的高溫質(zhì)子導(dǎo)體以其較高的離子電導(dǎo)率和質(zhì)子遷移數(shù)，以及較低的電導(dǎo)活化能，已成為中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)電解質(zhì)材料的熱門(mén)候選。在高溫質(zhì)子導(dǎo)體中摻雜BaCeO3和BaZrO3是最有發(fā)展前途的兩類(lèi)材料，但是在高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性上的不統(tǒng)一卻制約著這兩類(lèi)材料的實(shí)際應(yīng)用。BaCeO3基材料具有較高的電導(dǎo)率，但是在水和二氧化碳下穩(wěn)定性較差。相比之下，BaZrO3基材料對(duì)CO2和水都具有較高的抵抗力，但是其致密化需要在很高的

2、溫度(>1700℃)下才能完成，并且較高的晶界電阻也大大降低了電導(dǎo)率。研究者們發(fā)現(xiàn)BaCeO3-BaZrO3固溶體兼具高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，但是高Zr含量的固溶體燒結(jié)仍很困難。 為了解決這一難題，本論文以ZnO作為助燒結(jié)劑，利用固相反應(yīng)法制備了一系列Y摻雜BaCeO3-BaZrO3質(zhì)子導(dǎo)體材料。研究摻雜BaCeO3-BaZrO3在ZnO燒結(jié)助劑作用下的燒結(jié)行為，晶體結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率變化，并提出了ZnO對(duì)BaCeO3-BaZrO3

3、基質(zhì)子導(dǎo)體材料的燒結(jié)機(jī)理。 第一章概述了固體氧化物燃料電池(SOFCs)的工作原理、發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵材料，特別對(duì)鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，缺陷化學(xué)，穩(wěn)定性以及應(yīng)用等方面作了簡(jiǎn)單綜述。 材料的制備和表征方法是材料研究的基礎(chǔ)。第二章對(duì)本論文所涉及的制備和表征方法包括電化學(xué)阻抗譜法，XRD，ICP-AES，EDX法作了簡(jiǎn)要介紹。 第三章是本文的核心內(nèi)容，介紹通過(guò)改變或固定Y的含量制備BaCe0.5Zr0.3Y0.2-x

4、ZnxO2.9-0.5x和BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+yZnO兩個(gè)系列，并研究ZnO對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，燒結(jié)性能和電性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在1300℃，10 hrs條件下，BaCe0.5Zr0.3Y0.2-xZnxO2.9-0.5x存在明顯的BaO和ZnO的共揮發(fā)現(xiàn)象，大約80％的ZnO伴隨著1.2倍的BaO。由此可以證明，BaO-ZnO的低共熔物對(duì)樣品的致密化起作用。對(duì)于BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+yZnO，ZnO

5、同樣會(huì)造成BaO的缺失，并造成A位缺位，當(dāng)y=0.08及0.14時(shí)生成Y2O3，而在0.20時(shí)則產(chǎn)生Y2BaZnO5。對(duì)兩個(gè)體系來(lái)說(shuō)，ZnO的摩爾含量在2～8％之內(nèi)都能夠得到97％以上的燒結(jié)體。電導(dǎo)率測(cè)試顯示，Y的含量對(duì)于保證高電導(dǎo)率至關(guān)重要。而ZnO不但不是BaCeO3-BaZrO3的有效摻雜劑，相反多余的ZnO會(huì)降低晶界電導(dǎo)，從而使總電導(dǎo)率降低。實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)組分為BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+0.04ZnO，相對(duì)密度約