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氧化钴对钐掺杂CeO_2基固体电解质电性能影响

赵雪丽  
【摘要】:掺杂CeO2固体电解质在中温下具有较高的离子电导率,是研究较多的固体氧化物电解质材料之一。据报道,稀土金属离子如:Sm3+、Nd3+、Gd3+的掺杂能有效提高其电导率。但是,稀土掺杂CeO2电解质具有较高的致密温度,一些过渡金属氧化物如Fe2O3、Bi2O3、CoOx等作为烧结助剂能有效提高CeO2基固体电解质致密度,同时降低烧结温度。研究表明与其它的烧结助剂相比钴的氧化物具有很高的活泼性,可以有效的降低烧结的温度,提高电导率。然而钴的氧化物在CeO2基固体电解质中的固溶度以及钴在电解质中的存在价态和对电性能的具体影响在文献报道中相互矛盾。 本论文采用共沉淀法,以Ce(NO3)3·xH2O, Sm(NO3)3·xH2O, Co(NO3)2·xH2O,为原料,以(NH4)2C2O4为沉淀剂,制备不同组成的Ce0.8Smo.2-xCoxO2-δ (x=0.00~0.09),简写为CSOCox(x=0.01-0.09)前驱体粉末,对前驱体粉体及煅烧后的粉体和烧结样品进行XRD、XPS、SEM等表征,研究钴对钐掺杂的CeO2固体电解质电性能的影响及钴在电解质中存在价态和溶解极限,得到结论如下: (1)相对密度测试表明,未掺杂钴的样品相对密度很低(理论密度的82.6-90.9%),掺杂钴的样品具有较高的相对密度(92.8~98.2%),最佳烧结温度为1300℃,钴的加入大约使烧结温度降低了200℃。 (2) CSOCox(x=0.01-0.09)在600℃煅烧的XRD分析表明:晶胞参数α随着Co掺杂量的增加而成线性关系减小,符合Vegar定律a(x)=5.4310-0.0796x。 (3)XPS数据表明Ce在样品中以四价存在,样品在600℃煅烧时钴以Co3O4形式存在,当烧结温度达到1000℃以上钴主要以CoO形式存在 (4) EDS、SEM分析表明,1300℃时确定钴在CSO中的固溶度是7%,最佳烧结温度是1300℃。 (5)电导率研究表明,CSOCox(x=0.01-0.09)在1300℃烧结,当钴的掺杂量为x=0.07时电导率最大,在500℃能达到0.0229S/cm在600℃能达到0.0538S/cm,高于文献报道值。研究最佳烧结温度下的晶粒和晶界电导率证明,钴的加入同时提高了晶粒电导率和晶界电导率。


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