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Bi_2O_3基复合氧离子导体的电学特性研究

张国栋  
【摘要】:固体氧化物燃料电池(SOFC)的主要特点是采用了陶瓷电解质材料,为全固态结构。对于SOFC其性能提高的关键就在于电解质材料的开发和研究,目前SOFC的电解质材料主要分为氧化铈基、氧化铋基、钙钛矿结构电解质等。其中萤石结构氧化铋基电解质材料具有诸多优点,然而Bi_2O_3电解质材料在不同的温度和条件下可以呈现出不同的晶体结构,从而影响其性能的提高。为了得到性能最优、稳定性更好的Bi_2O_3氧离子导体电解质材料,本论文的研究工作主要集中在以下几个方面:本文通过双掺杂体系稳定Bi_2O_3的δ相,采用甘氨酸-硝酸盐法制备Er和Yb、Y和Zr分别共掺杂Bi_2O_3的氧离子导体电解质材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)测试手段对样品进行了性质表征。通过XRD进行物相分析,所有陶瓷电解质样品均为单相性好的立方萤石结构,从XRD谱图中没有观察到其他的杂相峰。样品的烧结温度为800℃时,样品Bi_(0.76)Y_(0.18)Zr_(0.06)O_(1.5+δ)的相对密度为94.2%左右。并且对材料的电化学性能进行测试,结果表明Bi_(0.76)Y_(0.18)Zr_(0.06)O_(1.5+δ)电解质材料具有较高的电导率,在750℃空气气氛中,电导率达到0.1421scm~(-1),电导活化能为0.62eV。为了进一步提高掺杂Bi_2O_3基氧离子导体电解质材料的致密度和电学性能,又采用固相烧结法制备了Zr和Lu、Lu和Ti分别共掺杂Bi_2O_3的电解质材料,并且对所有合成样品的特征、性质进行了系统的研究。实验结果表明,Zr和Lu共掺杂Bi_2O_3和Lu和Ti共掺杂Bi_2O_3得到的电解质材料经过800℃烧结5小时均能够形成比较好的电解质薄片。通过SEM进行微观形貌观察,所有样品晶粒区分较明显且致密性较好,没有明显的孔洞生成。通过电导率测试进行分析,样品Bi_(0.76)Lu_(0.16)Ti_(0.08)O_(1.5+δ)在750℃时电导率最高为0.6843Scm~(-1)。然而,Zr和Lu共掺杂Bi_2O_3系列样品由于表面形成了一层模糊形貌使其致密性降低,样品Bi_(0.76)Y_(0.16)Zr_(0.08)O_(1.5+δ)的相对密度却达到了95.2%。这些研究结果表明共掺杂后很好的稳定了δ-Bi_2O_3相,并且电解质材料具有较高的离子电导率和较低的电导活化能,改善了其电学性能,是一种比较好的氧离子导体电解质材料。


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