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Sm~(3+)掺杂浓度对CeO_2基离子导体的电学和光学性质影响的研究

姚成顺  
【摘要】:作为第四代燃料电池的固体氧化物燃料电池(简称SOFC)的电解质材料,掺杂CeO_2基电解质材料由于制备简单、在中温区(500-700oC)电导率比钇稳定氧化锆(YSZ)高近一个数量级而受到广泛的青睐。 本文以Sm~(3+)掺杂CeO_2基电解质(SDC)为主要研究对象,研究了Sm~(3+)掺杂浓度对CeO_2基离子导体的微结构、表面形貌、离子电导率和光致发光的影响。从体相导电的角度来说,Sm~(3+)掺杂CeO_2基电解质材料的载流子浓度、氧空位迁移焓和缺陷缔和焓均与掺杂浓度有关。同时,从晶界导电的角度来说,由于Sm~(3+)掺杂CeO_2基电解质材料一般是以多晶形式存在的,因此,掺杂浓度可能会改变晶界电导率在材料总电导率中所占的比例。本文采用甘氨酸-硝酸盐法制备了不同掺杂浓度的Ce1-xSmxO2-x/2(x=0.1, 0.15,和0.20 )电解质材料,研究了掺杂浓度对氧离子导体的微观结构、电学性能和光致发光性能的影响。XRD测试结果显示,不同掺杂浓度样品经1300oC烧结10小时后均为单相性好的立方萤石结构,从XRD谱图中未观察到其它非立方萤石结构的衍射峰,样品的晶胞参数随掺杂浓度增加逐渐增大。SEM结果表明,1300oC烧结10小时后,Sm~(3+)的掺杂浓度的变化不会显著改变材料的平均晶粒尺寸的大小。交流阻抗测试表明,掺杂浓度为0.10时,材料具有最大的体相电导率,主要是由于降低了氧空位的迁移焓导致的;掺杂浓度为0.20时,材料具有最大的晶界电导率,主要是由于降低了晶界的空间电荷势和增大了晶界的载流子浓度导致的;总电导率的变化就是体相电导率和晶界电导率的叠加的结果。从总电导的角度而言,Sm~(3+)的掺杂浓度在0.15-0.2间时的样品最有利于氧离子的传导。光致发光谱结果表明,观察到了Sm~(3+)的特征激发和发射,且随Sm~(3+)掺杂浓度增加,光致发光峰的强度逐渐减弱,归因于高掺杂浓度下的浓度淬灭机制。


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