BaCe_（1-y-x）Zr_yEr_xO_（3-α）的合成、导电性及应用

【摘要】：BaCeO_3基离子导电陶瓷材料是一类重要的功能材料。在固体氧化物燃料电池(SOFC),氢传感器,水蒸气电解器,氢的分离和纯化,常压合成氨,核聚变反应堆废气中氢同位素的回收等电化学装置及薄膜反应器方面具有重要的应用价值和广泛的应用前景。 BaCeO_3基离子导电陶瓷材料具有较高的离子电导率,但在二氧化碳和水蒸气气氛中化学稳定性较差。这使其实际应用受到很大限制。而BaZrO_3基离子导电陶瓷材料具有很高的化学稳定性和机械强度,但其离子电导率较低。BaCeO_3和BaZrO_3能以任意比例形成固溶体。目前,国内外的研究者根据上述特点制备了BaCeO_3基及BaZrO_3基复合离子导电陶瓷材料,既具有较高的电导率又具有较高的化学稳定性。 但至今未见到Zr~(4+)与Er~(3+)同时掺杂的BaCeO_3离子导电陶瓷材料的报道。因此,本论文以BaCeO_3为母体,在Ce~(4+)位置同时掺杂Zr~(4+)与Er~(3+),首次合成了BaCe_(1-y-x)Zr_yEr_xO_(3-α) (x = 0.5, 0.1, 0.15, 0.2; y = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)系列离子导电陶瓷材料,研究了材料在300―800°C的中温电性能及其在燃料电池和常压合成氨中的应用。 本论文的主要研究工作及结果如下: 1、保持相同的Zr~(4+)含量,改变Er~(3+)含量,采用微乳液法合成了BaCe_(0.9-x)Zr_(0.1)Er_xO_(3-α) (x = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20)系列陶瓷样品的前驱体,经1150°C下煅烧及1550°C下烧结制得了致密、单相陶瓷样品,分别比通常固相法的煅烧(1250°C)及烧结温度(1650°C)降低了100°C;通过交流阻抗、氢浓差电池、氢分子泵等电化学方法研究发现,各样品在300―800°C下、氢气气氛中几乎为纯的质子导体;当Er~(3+)的掺杂量为0.15时样品的电导率最高。 2、保持相同的Er~(3+)含量,改变Zr~(4+)含量,采用微乳液法合成了BaCe_(0.85-y)Zr_yEr_(0.15)O_(3-α)(y = 0.0, 0.1, 0.2, 0.30, 0.4)系列陶瓷样品的前驱体,经1150―1200°C下煅烧及1550°C下烧结制得致密、单相陶瓷样品;测定了样品在3% CO_2 + 3% 2_HO + 96% N——2气氛中的化学稳定性,结果表明:化学稳定性随着Zr~(4+)掺杂量的增加而增大;在300―800°C时的电性能结果表明:电导率随着样品中Zr4+掺杂量的增加而下降;发现在研究的样品中,BaCe_(0.65)Zr_(0.20)Er_(0.15)O_(3-α)同时具有较好的化学稳定性和较高的电导率。 3、采用交流阻抗、氢浓差电池、水蒸气浓差电池等电化学方法系统地研究了BaCe_(0.65)Zr_(0.2)Er_(0.15)O_(3-α)样品在300―800°C下、氢气气氛中的的导电性能,发现该样品在此条件下几乎为纯的离子导体,且质子导电占主导地位;测定和研究了BaCe_(0.65)Zr_(0.20)Er_(0.15)O_(3-α)样品(陶瓷片厚0.67 mm)在700―800°C下的氢/空气燃料电池性能,在800℃时的最大输出电流密度约为360 mAcm~(-1),最大输出功率密度为90 mWcm~(-2),表明该样品是一个有希望的中温固体氧化物燃料电池的电解质材料;成功地将BaCe_(0.65)Zr_(0.2)Er_(0.15)O_(3-α)样品应用于常压合成氨,本研究的最佳合成氨温度为450°C,当施加1 mA的外加直流电时氨的产率达到最大值,为3.27×10~(-9) mols~(-1)cm~(-2),高于文献报道的合成氨产率(7.5×10~(-1)1 mols~(-1)cm~(-2), G.. Marnellos, M. Stoukides, Science, 1998, 282, 98.)。