Gd2(Zr1–xMx)2O7+δ(M=Ce,Nb,Mo)固体电解质材料的制备与电学性能研究

摘要

本文选用Gd2O3、m-ZrO2和掺杂氧化物(CeO2, Nb2O5和MoO3)为原材料，采用无压烧结制备出高致密度的置换型稀土锆酸盐Gd2(Zr1-xCex)2O7(0≤x≤0.3)、Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x(0≤x≤0.3)和Gd2(Zr1-xMox)2O7+2x(0≤x≤0.2)体系的陶瓷材料；采用X射线衍射、扫描电镜等手段研究了稀土锆酸盐材料的微观组织结构及其转变机理；采用交流阻抗谱法测试了稀土锆酸盐材料的电导率，并揭示其导电机理。
　　对Gd2B2O7型稀土锆酸盐材料进行掺杂改性，将不同价态的阳离子Ce4+, Nb5+和Mo6+引入B4+位合成的Gd2(Zr1-xCex)2O7(0≤x≤0.3)、Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x(0≤x≤0.3)和Gd2(Zr1-xMox)2O7+2x(0≤x≤0.2)体系的块体材料均为完全互溶固溶体，且具有高的致密度，相对密度达到95.0％左右。
　　在B位掺杂不同价态阳离子后形成的置换型固溶体Gd2(Zr1-xCex)2O7(0.1≤x≤0.3)、Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x(0.1≤x≤0.3)和Gd2(Zr1-xMox)2O7+2x(0.1≤x≤0.2)的晶体结构与阳离子半径的比值[r(Gd3+)/r(B4+)]有直接的关系。对于基体Gd2Zr2O7来说，阳离子半径比值r(Gd3+)/r(Zr4+)等于1.46，正好处于烧绿石结构与缺陷型萤石结构的理论临界边界值，并且材料的烧结温度(1973K)高于其有序无序相变温度(1803K)，为无序的缺陷型萤石结构。对于置换型固溶体Gd2(Zr1-xCex)2O7(0.1≤x≤0.3)体系，阳离子半径比值r(Gd3+)/r(B4+)小于1.46，为无序的缺陷型萤石结构；而对于置换型固溶体Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x(0.1≤x≤0.3)和Gd2(Zr1-xMox)2O7+2x(0.1≤x≤0.2)体系，其阳离子半径比值r(Gd3+)/r(B4+)均大于1.46，为有序的烧绿石结构。
　　对于置换型稀土锆酸盐Gd2(Zr1-xCex)2O7(0.1≤x≤0.3)和Gd2(Zr1-xMox)2O7+2x(0.1≤x≤0.2)体系，随着掺杂量x的增加，材料的电导率是降低的。而对于Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x体系，随着掺杂量 x的增加，材料的电导率先上升，然后下降，在x=0.1时，材料的电导率达到最大值(4.34×10-3S·cm-1,1073K)。
　　对于同一组分的稀土锆酸盐Gd2(Zr1-xMx)2O7+δ(M=Ce,Nb,Mo)固溶体体系，材料的电导率随着温度的升高而升高。而在同一温度下，不同掺杂体系和含量的稀土锆酸盐材料的电导率与其晶体结构有直接的关系。发现置换型稀土锆酸盐中金属阳离子半径比值r(Gd3+)/r(B4+)在1.48附近，且B位的两种金属阳离子半径相差最小的Gd2(Zr1-xNbx)2O7+x固溶体体系中，材料电导率达到了本文所有研究体系的最大值。
　　在673-1073K温度范围、氧分压为1.0×104-1.0atm，对置换型固溶体 Gd2Zr1.8Ce0.2O7、Gd2Zr1.8Nb0.2O7.1和Gd2Zr1.8Mo0.2O7.2进行不同氧分压下的电导率测试。结果发现，材料的电导率与氧分压的变化无关。该体系固溶体材料的导电机理为氧离子空位传导占主要地位，可以视为氧离子导体，电子传导可以忽略。

目录

Gd2(Zr1–xMx)2O7+δ (M=Ce, Nb, Mo)固体电解质材料的制备与电学性能研究

PREPARATION AND ELECTRICAL PROPERTIESOF Gd2(Zr1–xMx)2O7+δ (M = Ce, Nb, Mo) SOLIDELECTROLYTES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 固体氧化物燃料电池(SOFC)概述

1.3 固体氧化物燃料电池(SOFC)的基本组成和工作原理

1.4 固体电解质

1.5 氧离子导体研究进展

第2章 试验材料与研究方法

2.1 试验用原材料

2.2 试验材料制备

2.3 材料的组织结构分析

2.4 材料的电学性能测试方法

第3章 稀土锆酸盐材料的组织结构

3.1 Gd2(Zr1–xCex)2O7 材料的组织结构

3.2 Gd2(Zr1–xNbx)2O7+x 材料的组织结构

3.3 Gd2(Zr1–xMox)2O7+2x 材料的组织结构

3.4 不同掺杂元素离子半径对稀土锆酸盐材料组织结构的影响

3.5 本章小结

第4章 稀土锆酸盐材料的电学性能

4.1 Gd2(Zr1–xCex)2O7 材料的电学性能

4.2 Gd2(Zr1–xNbx)2O7+x 材料的电学性能

4.3 Gd2(Zr1–xMox)2O7+2x 材料的电学性能

4.4 不同掺杂元素离子半径对稀土锆酸盐材料电导率的影响

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢