锆酸盐/无机盐复相质子导体的制备和性能研究

论文摘要

Y掺杂的BaZrO3基钙钛矿型高温质子导体具有良好的化学稳定性和较高的晶粒电导率,是固体氧化物燃料电池用电解质隔膜的重要候选材料。然而,烧结温度高、总电导率偏低是其实用化面临的最大障碍。本论文以制备锆酸钡/无机盐复相质子导体为目的,首先详细研究了改善基体锆酸钡材料烧结性能的方法,最终成功制备出了锆酸钡/无机盐复相质子导体。采用高温固相法制备BaZr0.9Y0.1O2.95（BZY10）基体材料,引入B2O3作为烧结助剂。研究表明,加入适量的B2O3（0.75wt%）可以使BZY10的烧结温度降低到1500℃,保温时间缩短为6h,与未掺入B2O3的BZY10相比,体系电性能没有明显降低。过量B2O3（>0.75 wt%）的加入将会使其以第二相形式存在于烧结体中,并降低材料的烧结性能和电性能。采用柠檬酸络合法制备出高比表面积超细BZY10粉体,在加入0.75wt% B2O3后进一步使体系在1400℃/6h下即可达到烧结。电导率研究表明,柠檬酸络合法合成体系的电性能与固相法合成体系在1500℃/6h得到的基本一致。在1350℃/4h的烧结条件下,制备了BZY10/无机盐（硫酸钾、氯化钠、氟化钙）复相质子导体。研究表明,BZY10/K2SO4复相材料的直流电导率对比单相材料BZY10提高了一个数量级以上,在700℃时为4.5×10-4S/cm。对K2SO4与BZY10复合方式进行探讨,结果表明凝胶包覆法可以有效改善复相材料的烧结性能,提高体系电导率,在700℃下的直流电导率达到了1.5×10-3S/cm。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池的历史
• 1.1.2 燃料电池的工作原理
• 1.2 固体氧化物燃料电池的电解质
• 1.2.1 电解质材料的要求
• 1.2.2 电解质的类型
• 1.3 简单钙钛矿氧化物的质子导电机制
• 1.3.1 氧空位缺陷的形成
• 1.3.2 质子的介入
• 1.3.3 质子的迁移
• 1.4 钙钛矿氧化物质子导体的改性
• 1.4.1 低价元素均相掺杂
• 1.4.2 均相复合
• 1.4.3 异相复合
• 1.5 课题的研究背景及意义
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究目的
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验原料和仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 粉体制备方法
• 2.2.1 固相反应法
• 2.2.2 溶胶-凝胶（sol-gel）法
• 2.3 样品的制备
• 2.4 研究方法及分析手段
• 2.4.1 热分析
• 2.4.2 X 射线衍射分析
• 2.4.3 热膨胀性能分析
• 2.4.4 SEM 分析
• 2.4.5 试样烧结密度和收缩率的测试
• 2.4.6 比表面积表征
• 2.4.7 直流电导率测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 助烧剂对锆酸盐烧结性能的作用
• 3.1.1 粉体合成与表征
• 3.1.2 物相分析
• 3.1.3 助烧剂的选择
• 2O₃助烧剂'>3.1.4 B₂O₃助烧剂
• 3.2 锆酸盐的柠檬酸络合法（Pechini）制备
• 3.2.1 粉体合成与表征
• 3.2.2 相分析
• 3.2.3 粉体的预处理及性能
• 3.2.4 烧结性能
• 3.2.5 显微结构
• 3.2.6 电性能
• 3.3 复相质子导体的制备与电性能研究
• 3.3.1 锆酸盐与无机盐的复合制备
• 3.3.2 复相质子导体的电性能
• 3.3.3 复合方式对硫酸盐复合导体性能的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢