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La_(1-x))Sr_xCo_(1-y)Fe_yO_3复合氧化物的化学法合成、结构与混合导电性能研究

黄端平  
【摘要】: La_(1-x)Sr_xCo_(1-y)Fe-yO_3复合氧化物因其特殊的结构而具有优异的电子—离子混合导电特性,可以应用在中低温固体氧化物燃料电池、氧分离膜、膜催化与反应器等诸多方面。本文采用化学法制备了La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3材料,对制备方法与工艺参数、材料结构和混合导电性能进行了研究,分析了组成、结构与混合导电性能的关系,探讨了电子—离子混合导电机理,其目的在于为该类混合导体的进一步研究和应用提供实验和理论依据。 采用GNP法和柠檬酸盐法制备了La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3粉料。研究结果表明,采用GNP合成法时甘氨酸与金属离子的摩尔比(G/M~(n+))、燃烧环境、化学组成和热处理温度等对粉料的晶体结构和显微形态有显著的影响;采用柠檬酸盐合成法时柠檬酸与金属离子的摩尔比(C/M~(n+))、前驱体液pH值、成胶温度、化学组成和热处理温度等对干凝胶的形成及粉料的晶体结构和显微形态有显著的影响。通过实验研究确定了适当的合成工艺条件,并制备出La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3体系超细粉料。 分别采用直流四探针法和交流阻抗谱法研究了La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3陶瓷的电子导电性能和离子导电性能。研究结果表明,La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3陶瓷的电子导电特性和离子导电特性与烧结温度紧密相关,当烧成温度为1200℃时GNP法制备样品和柠檬酸盐法制备样品达到最佳的电子导电性能和离子导电性能;在测试温度范围内,除La_(0.6)Sr_(0.4)CoO_3样品的电子电导率随温度的升高而单调下降外,其它样品的电子电导率均随温度的升高而在600℃附近达到最大值;不同组成的La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3样品的离子电导率均随温度的升高而增加;在相同的测试温度下,Co/Fe比例较高的La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3样品具有较高的电子电导率和离子电导率;La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3样品的小极化子导电活化能和离子导电活化能均随Co/Fe比例的增加而降低。采用XRD、SEM、XPS、Mossbauer、ESR、碘滴定法等测试手段研究了La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3陶瓷的结构。研究结果表明,La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3陶瓷具有菱形六面体钙钛矿结构;随着烧成温度的升高,陶瓷样品的晶粒尺寸不断增大,显微结构的致密程度不断提高,但烧成温度过高时陶瓷体内的液相含量显著增加;随着Co/Fe比例的增加,陶瓷样品的晶粒尺寸增大,显微结构的致密程度提高,陶瓷样品中化学吸附氧以及Fe~(4+)、Co~(4+)的相对含量增加,Co、Fe离子的平均价态降低,氧的非化学计量值δ增加;随着温度的升高,Co、Fe离子的平均价态降低,氧的非化学计量值δ增大,氧空位浓度增加。材料结构的上述改变与电子电导率、离子电导率随烧成温度、组成和温度的变化规律是对应的。 研究了制备方法对La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(1-y)Fe_yO_3陶瓷的电子—离子混合导电性能和微观结构的影 武汉理工大学硕士学位论文 响。研究结果表明,与常规固相法相比,GNP法制备样品和柠檬酸盐法制备样品具有更加 优良的电子导电性和离子导电性:不同方法制备的同种组成样品在电子电导率、离子电导 率、导电活化能及电子电导率峰值温度等方面存在一定的差异,反映出合成方法和制备过 程的差异对样品的电输运特性的影响。 研究了La06sro.4Col一FeyO3材料的组成、结构与混合导电性能的关系,探讨了其电子一 离子混合导电机理.在低温范围内,Lao.‘s兔不。,,y Feyo3样品的导电行为符合小极化子传导 机制;随着温度的升高,晶格氧的逸出量增加,使氧空位补偿机制的作用增强。 La0.6sr0.’c。,一eyo3体系的电子导电特性主要来源于小极化子导电,c夕+离子的电荷歧变、 氧空位的电荷补偿和Fe4+优先Co4+进行电荷补偿等行为和机制对该体系的电子导电行为也 有着不同程度的影响。Lao声r0刃。,一e户3体系的离子导电行为符合氧空位导电模型.


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