納米級(jí)高溫質(zhì)子導(dǎo)體的制備及其電性能研究.pdf

1、工業(yè)中要生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁材，必須要測(cè)定并脫除鋁液中所含的氫。而目前的測(cè)氫方法大多存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，信息滯后，設(shè)備復(fù)雜昂貴等弊端，需要研制出一種新的測(cè)氫方法來(lái)降低成本，提高效率。本課題目的是開(kāi)發(fā)出廉價(jià)、高效的材料制備工藝，制備出一種鈣鈦礦型(Perovskite-type)高溫質(zhì)子導(dǎo)體(HTPC)，它具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，能組成氫傳感器而直接、快速地測(cè)量鋁液中的氫。 鈣鈦礦型高溫質(zhì)子導(dǎo)體中，SrCeO3體系已發(fā)展的相當(dāng)成熟了。本課題組

2、的其他成員曾以SrCeO3類的質(zhì)子導(dǎo)體為研究對(duì)象，測(cè)定了它們的一系列性質(zhì)。由于在鈣鈦礦型氧化物中，BaCeO3基的質(zhì)子導(dǎo)體有最高的電導(dǎo)率，因此本課題選擇以BaCeO3基的質(zhì)子導(dǎo)體為研究對(duì)象，希望能研制出一種經(jīng)濟(jì)又快速的制備方法并運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。 采用溶膠-凝膠法(Sol-gel)制備了BaCe0.9Y0.1O3-α高溫質(zhì)子導(dǎo)體，干凝膠煅燒溫度為1273K，樣品燒結(jié)溫度為1723K。同時(shí)用傳統(tǒng)的高溫固相合成法制備了BaCe09Y

3、0.1O3-α，粉料煅燒溫度為1523K，樣品燒結(jié)溫度為1923K。經(jīng)XRD檢測(cè)，兩種方法均合成出了BaCe09Y0.1O3-α樣品，溶膠-凝膠法明顯降低了樣品的煅燒和燒結(jié)溫度。運(yùn)用AUTOLABPGSTAT30型電化學(xué)工作站測(cè)定了兩種方法制備的BaCe0.9Y0.1O3-α樣品的阻抗譜。溶膠-凝膠法制備的樣品在350～800℃范圍內(nèi)電導(dǎo)率1.62×10-4～6.43×10-3S·cm-1，固相合成法制備的樣品電導(dǎo)率范圍是1.0×10-

4、4～4.0×10-3S·cm-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溶膠-凝膠法制備的質(zhì)子導(dǎo)體電導(dǎo)率高于同溫度下用固相合成法制備的樣品電導(dǎo)率。 分別比較了兩種方法制備的質(zhì)子導(dǎo)體粉體及其燒結(jié)體的SEM圖，由掃描電鏡圖可看出：溶膠-凝膠法制備的BaCe0.9Y0.1O3-α質(zhì)子導(dǎo)體粉體粒徑在100nm以內(nèi)，其燒結(jié)體顆粒度為300～400nm；固相合成法制備的BaCe0.9Y0.1O3-α粉體粒徑和燒結(jié)體顆粒度均大于溶膠-凝膠法制備的樣品。說(shuō)明由于制備方

5、法的不同，導(dǎo)致了產(chǎn)物的顆粒度不同，從而電性能有差異。 同時(shí)用溶膠-凝膠法制備了BaCe05Zr0.4Y0.1O3-α質(zhì)子導(dǎo)體(在制備BaCe09Y0.1O3-α?xí)r，以部分Zr氧化物代替Ce氧化物)，干凝膠煅燒溫度為1473K，燒結(jié)溫度1673K～1773K，均低于日本學(xué)者Iwahara用高溫固相合成法(粉料煅燒溫度1673K，燒結(jié)溫度1973K)制備樣品時(shí)的溫度。經(jīng)XRD檢測(cè)，峰形與文獻(xiàn)上的一致，即合成了同種物質(zhì)。用電化學(xué)工作站

6、測(cè)定了1673K、1723K、1773K三種燒結(jié)溫度下燒結(jié)成的BaCe0.5Zr04Y0.1O3-α樣品的阻抗譜圖，在350～800℃范圍內(nèi)三者的電導(dǎo)率都小于BaCe09Y0.1O3-α樣品?？梢?jiàn)：以Zr氧化物部分代替Ce氧化物降低了BaCe09Y0.1O3-α的電性能。 觀察了三種溫度下燒結(jié)成的BaCe0.5Zr04Y0.1O3-α樣品的SEM圖，1773K時(shí)燒結(jié)成的樣品顆粒度最大，電導(dǎo)率測(cè)試的結(jié)果最小。燒結(jié)溫度越高，樣品的顆

7、粒度越大，電導(dǎo)率越低。 根據(jù)Arrhenius定律σ=A/Texp(-Ea/KT)，將1nσT對(duì)1/T作圖，作出材料的Arrhenius曲線，由回歸曲線得出斜率，從而計(jì)算出激活能Ea。激活能的高低說(shuō)明了質(zhì)子導(dǎo)體產(chǎn)生電導(dǎo)所需克服的勢(shì)壘的大小。激活能越低，需要克服的勢(shì)壘越小，溫度對(duì)材料的影響也越小，說(shuō)明物質(zhì)可以在較低的溫度下獲得較大的電導(dǎo)率。計(jì)算得出在1673K、1723K、1773K三種溫度下燒結(jié)制備的BaCe05Zr04Y0.1