CeO_2基氧离子导电复合材料的研究

【摘要】：固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)是一种将燃料的化学能转化成电能的电化学电池。其中,电解质材料对降低SOFCs的工作温度和提高SOFCs的工作效率起到关键的作用。本文以立方萤石结构的钐掺杂氧化铈(Ce0.8Sm0.201.9,SDC)和钙钛矿结构的锶、镁共掺杂镓酸镧(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85,LSGM)为研究对象,采用共沉淀方法制备电解质材料,研究掺杂和复合等技术对氧离子导电性的影响特征,并分析了相关导电机理。工作主要包含以下内容： (1)采用共沉淀方法分别制备SDC和LSGM单相电解质材料。以XRD和交流阻抗等分析测试手段对电解质材料的相组成和性能进行表征。结果表明：采用化学共沉淀方法,可以制备出高纯度的单相SDC和LSGM粉体。用传统的烧结工艺在1450℃下烧结出了离子电导率较高的块体材料。其中,SDC和LSGM在700℃下的电导率为分别为1.01×10-2S/cm和1.76x10-2S/cm。 (2)采用共沉淀合成方法、两步工艺制备SDC-LSGM复合电解质,并研究LSGM含量对复合电解质材料的导电特性的影响。通过XRD分析得出,复合电解质材料的主相为萤石结构的CeO2相,第二相为钙钛矿结构的LaGaO3,同时存在少量杂质相LaSrGa3O7。在所有测试温度范围内,复合样品对应晶界效应的交流阻抗曲线比单相SDC更小。其中,10wt%LSGM含量的样品具有最高的离子电导率,700℃时达到3.4×10-2S/cm,是单相SDC和LSGM的2倍以上。研究得出,两相复合是提高电解质电导率的有效方法。交流阻抗数据分析表明,晶界电导率的提高是复合样品导电性提高的主要原因。 (3)研究SDC-LSGM复合材料LSGM相中La2O3的适当过量对复合材料导电性能的影响。在本实验的研究体系中,La2O3原料过量3wt%的样品具有最高的离子电导率,700℃时复合材料的离子导电性达到9.6×10-2S/cm,比单相SDC提高了近一个数量级。研究得出,材料复合引起的界面结构特征变化是增强材料导电性的重要因素。 (4)研究热压烧结工艺对SDC-LSGM复合材料导电性能的影响。对比热压烧结和常规烧结SDC陶瓷的电导率发现：前者低温电导率比后者更高,并且电导率差值随着温度降低逐渐提高,200℃时两者的电导率差值达1个数量级以上。热压复合样品的电导率相比传统复合样品的电导率也有一定程度提升。700℃时,电性能最好的含15%LSGM的热压复合陶瓷的电导率达到5.86×10-2S/cm,约为常规烧结陶瓷电导率的2倍。