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新型氧离子导体La_2(Mo_(1-x)Al_x)_2O_(9-α)的合成及其电性能研究

曹娜平  
【摘要】: 氧离子固体电解质因在固体氧化物燃料电池、氧传感器、氧泵、透氧膜等方面有着广泛的应用而倍受关注。钼酸镧(La_2Mo_2O_9)是2000年Lacorre等人报道的一种新型的氧离子导体,该固体电解质即使不掺杂低价金属阳离子,其晶格内部也具有相当数量的本征氧空位,在600~800℃中温范围具有高于稳定化ZrO_2的氧离子电导率。 本研究通过高温固相反应法和溶胶-凝胶法合成了La_2(Mo_(1-x)Al_x)_2O_(9-α) (x =0.025,0.05,0.075,0.10)系列陶瓷样品。用合成的样品为固体电解质、多孔性铂为电极,采用交流阻抗谱、气体浓差电池和电化学分子透过(氧泵)等实验技术测定了样品在550~1000℃下各种氧化性气氛(干燥氧气、空气、氮气及湿润空气)中的氧离子电导率及氧离子迁移数,系统地研究了系列样品的氧离子导电特性。此外,以La_2Mo_(1.9)Al_(0.1)O_(9-α)陶瓷样品为固体电解质,多孔性铂为电极,以氢气或天然气为燃料,氧气为氧化剂,组装成燃料电池,研究了该燃料电池的性能。 本论文取得的主要结果如下: 1、该系列样品均为单一立方相La_2Mo_2O_9结构。 2、当Al3+的掺杂量x≥0.05时,能够完全抑制样品相变的发生,将高温立方相保持到室温。 3、氧浓差电池电动势的实测值与理论值吻合得很好,氧离子迁移数为1,表明该系列样品在该温度下氧化性气氛中为纯氧离子导体。 4、样品在高、低氧分压气氛中的导电性不同。在800℃和900℃下、较高的氧分压范围(pO_2=10-13~1atm),电导率与氧分压变化无关,表明在该氧分压范围样品为纯的氧离子导体,这与氧浓差电池电动势测定结果相吻合;而在800℃和900℃下、较低的氧分压范围(pO2=10-14~10-20atm),电导率随氧分压降低而升高,表明在该氧分压范围样品为氧离子与电子的混合导体,电子电导的产生与样品中的高价钼被还原为低价钼有关。 5、在电流密度小于30 mA cm-2时,各样品的氧的电化学透过(氧泵)速度的实测值与理论值吻合得很好,由此求得样品在氧化性气氛中的氧离子迁移数为1。这与氧浓差电池方法测得的结果(主要结果3)及pO_2对电导率的影响(主要结果4)是一致的。这进一步证实了该系列陶瓷样品在氧化性气氛中的确是纯的氧离子导体。 6、在600~1000℃下各样品的氧离子电导率 10~(-2) S·cm~(-1),显著高于母体La_2Mo_2O_9的氧离子电导率,这是由于掺杂样品具有高于母体的氧离子空位浓度;La_2Mo_(1.9)Al_(0.1)O_(9-α)的电导率高于La_2Mo_(1.9)Ga_(0.1)O_(9-α)的电导率,这是由于La_2Mo_(1.9)Al_(0.1)O_(9-α)具有较大的晶胞自由体积(Vf),有利于氧离子的传输和氧离子电导率的提高。 7、掺杂量对样品的氧离子电导率有着显著影响。随着掺杂量x的增加,样品的电导率先增大后减小,x = 0.05的样品(La_2Mo_(1.9)Al_(0.1)O_9)具有最大的氧离子电导率,1000℃时的氧离子电导率高达0.12 S·cm~(-1)。 8、样品La_2Mo_(1.9)Al_(0.1)O_(9-α)的氢—氧燃料电池在1000℃时输出功率密度为145.4 mW?cm-2,表明该氧化物有可能成为燃料电池的候选电解质材料。


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1 曹娜平;新型氧离子导体La_2(Mo_(1-x)Al_x)_2O_(9-α)的合成及其电性能研究[D];苏州大学;2008年
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