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PVA法合成La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)Fe_yO_3阴极材料的制备及其性能研究

邢长生  
【摘要】:钙钛矿结构的La_(1-x)Sr_xCo_(1-y)FeyO_3(LSCF)由于具有优良的电子-离子混和导电特性,在燃料电池、气体传感器、膜催化、氧气分离等方面得到广泛的应用。目前,LSCF的制备成本昂贵,工序繁杂,难以满足大规模商业应用的要求。本文在系统讨论钙钛矿材料制备方法的基础上,系统研究了柠檬酸法,并以此为基础提出了具有工业应用前景的新液相法——PVA法,不仅过程简便,而且大大降低了制粉成本; 研究了该法实验室制粉工艺,为其工业应用提供了重要的参数。 采用柠檬酸法和PVA法制备了La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)FeyO_3粉体。研究结果表明,柠檬酸法合成过程中,柠檬酸与金属离子的摩尔比、前驱体液的pH值、成胶温度等对凝胶的形成及粉体的成分、晶体的结构有显著的影响; PVA法合成过程中,聚合度(DP值)、金属离子电荷数与辅助剂Ax-的摩尔比、成胶温度对干凝胶的形成、粉体材料的性能有显著的影响。通过实验确定PVA法合成工艺条件,比较而言,PVA法比柠檬酸法具有成本低、生产周期短、可操作性强等优点。 采用TG-DTA、IR、XRD研究粉体合成过程发现,柠檬酸法和PVA法在制备LSCF的机理相似:随着水分的蒸发,碳骨架和硝酸盐发生部分分解,放出大量的CO2气体,它与SrO结合生成中间相SrCO_3; 当温度达到600℃,有机物和硝酸盐分解完全,在800℃保温2h可获得单一的钙钛矿相。SEM、TEM照片表明柠檬酸法制备的粉体粒径范围较宽,PVA法制备的粉体粒径大小均一; 柠檬酸法制备粉体比表面积比PVA法制备粉体的大,由两种方法制备的粉体都是纳米级。 分别采用直流伏安法和交流阻抗研究了PVA法制备的La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)FeyO_3陶瓷的电子导电性能和离子导电性能。研究结果表明:相同条件下,La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)FeyO_3的电子导电率随着材料烧结成型温度的升高而增大,随着Co含量的增加而增大; 随着温度的升高,La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)FeyO_3材料的电子电导率出现峰值,在低温阶段增加缓慢,符合小极化子导电机制。离子电导率随着温度的升高而增大,随着Co含量的增加而增大。在低温阶段,电荷位移为电极过程速控步骤; 在高温阶段,电荷转移和气体扩散为电极过程速控步骤。700℃时,La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(0.9)Fe_(0.1)O_3的离子电导率为0.043 S·cm-1,在800℃,La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(0.5)Fe_(0.5)O_3的电子电导率达到386 S?cm-1,能够满足中温燃料电池的使用要求。 对材料的其他性能研究表明:La_(0.8)Sr_(0.2)Co_(1-y)FeyO_3材料与GDC材料具有良好的高


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