B位掺杂LnGaO3(Ln=La，Pr，Nd)固体电解质的制备和性能

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）,是一种新型的清洁能源,能够直接将燃料的化学能转化为电能。具有可用燃料广、低污染、能量转换效率高、无噪声污染、无漏液、寿命长等优点,受到各国的普遍关注。SOFC主要由阴极、阳极和夹在中间的致密电解质三部分构成。其中,电解质是SOFC所有部件中重要的部件,它不仅决定了固体氧化物燃料电池的工作温度、其他材料的选择,更是决定了燃料电池的输出特性。稀土镓酸盐是一种新型的电解质材料,具有高的离子电导率,低的电子电导或空穴电导,且能在较宽的氧分压下稳定,是最有希望用作中低温固体氧化物燃料电池的电解质材料。本文选择以稀土镓酸盐LnGaO3（Ln=La,Pr,Nd）为研究对象,利用传统的高温固相反应法,通过Ga位Mg掺杂,成功制备了电解质LnGa1-xMgxO3（Ln=La,Pr,Nd;x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25）。Ga位单掺Mg会在电解质中引入氧空位、引起晶格畸变、改变晶胞体积及导电活化能,从而影响电解质的电导率。Mg在LaGaO3、PrGaO3、NdGaO3中的固溶限分别为0.2、0.2和0.15。电解质LaGa0.8Mg0.2O3具有最高的电导率,在1073K时约为10.14×10-2 S/cm,略低于LaGaO3体系的最佳配比La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ（1073K的电导率为0.17S/cm）。973K1173K范围内,LaGa0.8Mg0.2O3的离子迁移数随着温度的升高而增加并趋近于1,1173K时可达0.98。PrGa1-xMgxO3体系的电导率在x = 0.1时达到最高,在1073K时达到8.14×10-2 S/cm。NdGa1-xMgxO3体系的电导率最大值出现在x = 0.15,1073K时为1.96×10-2 S/cm。三个体系中PrGa1-xMgxO3的导电活化能最低,PrGa0.9Mg0.1O3为0.41eV。当温度低于1033K后,其电导率超过LaGa0.8Mg0.2O3的电导率,为三个体系中最高的。过渡金属Co掺杂提高了电解质LaGa0.8Mg0.2O3在中低温的电导率,而在高温区的电导率随着Co含量的增加先减小后增大。同时,Co掺杂可有效地降低电解质的导电活化能。电解质在873K左右发生了氧空位有序-无序转变,表现为热膨胀系数的改变。这与电导率结果相吻合,对应于低电导相和高电导相之间的转变。以LaGa0.8Mg0.2O3作为电解质的氢-氧燃料电池的开路电压在1V以上,说明电解质中离子电导占主导地位,但由于银电极阻抗太大,输出功率密度较低。综合看来,掺杂稀土镓酸盐具有比传统的YSZ电解质更高的电导率,是潜在的中低温固体电解质材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 固体氧化物燃料电池
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池电解质
• 1.2.3 提高电解质性能的方式
• 1.3 国内外在该方向的研究现状
• 1.4 本论文的研究目的和意义
• 1-xMg_xO₃（Ln=La，Pr，Nd）的制备及其性能'>第2章 电解质样品LnGa_1-xMg_xO₃（Ln=La，Pr，Nd）的制备及其性能
• 1-xMg_xO₃ 系列样品的制备及结构表征'>2.1 LnGa_1-xMg_xO₃系列样品的制备及结构表征
• 2.1.1 样品制备
• 2.1.2 结构表征
• 2.2 样品的电导率
• 2.2.1 交流电导率
• 2.2.2 直流电导率
• 2.2.3 影响电导率的主要因素
• 1-xMg_xO₃ 的热膨胀测试及分析'>2.3 电解质LaGa_1-xMg_xO₃的热膨胀测试及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 镓酸盐电解质的掺Co 改性
• 3 基电解质的过渡金属掺杂'>3.1 LaGaO₃基电解质的过渡金属掺杂
• 0.8-yMg_0.1Co_yO₃ 电解质的性质研究'>3.2 LaGa_0.8-yMg_0.1Co_yO₃电解质的性质研究
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 电解质样品的电导率
• 3.2.3 样品的热膨胀测试与分析
• 0.9-yMg_0.1Co_yO₃ 电解质的性质研究'>3.3 PrGa_0.9-yMg_0.1Co_yO₃电解质的性质研究
• 3.3.1 样品制备
• 3.3.2 交流电导率
• 3.4 本章小结
• 第4章 镓酸盐电解质的应用
• 4.1 固体电解质在燃料电池中的应用
• 4.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢