复合掺杂氧化锆基固体电解质的制备与电性能的研究

摘要

掺杂立方氧化锆广泛用作固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧传感器、氧泵等的固体电解质。高性能的固体电解质，不仅要有高的电导率及其化学稳定性，还要有良好的力学性能。目前普遍使用的YSZ电解质，存在着电导率不高、高温老化、低温时效退化、价格较昂贵等缺点，从而影响了SOFC的商业化进程。但是传统材料制备方法和材料的组成不能满足在固体氧化物燃料电池上的应用要求(高的离子导电率，低的工作温度，良好的力学性能等)，因此开发新的材料成为必然的选择。 1.通过共沉淀-溶胶-凝胶-共沸蒸馏-喷雾干燥工艺方法，制备了ZrO2基复合型固体电解质材料。在材料的组成上突破传统的二元系组成，在8YSZ基础上选用Yb2O3作掺杂剂，再添加Al2O3，制备多元系组成的材料。在传统粉体材料制备方法的基础上，有选择性结合了共沉淀法、胶化法、共沸蒸馏法、喷雾干燥法的优点，研究了相关材料的制备工艺，并对材料的性能进行了研究。 2.以ZrOCl2·8H2O、三氯化钇(YCl3)和YbCl3等为原料，采用无机胶化剂的溶胶-凝胶法制备8YSZ、8YbSZ、4Yb-8YSZ粉体。通过BET、XRD、SEM等表征粉体的物相组成、粒径大小和粒度分布等的测定。制备出球状、分散性好，晶粒尺寸均匀的8YSZ、8YbSZ、4Yb-8YSZ亚微粉体。 3.粉体经干压制成陶瓷器件，在1350℃-1600℃的氧化性气氛下烧结，烧结体的密度可达到理论密度99％左右。陶瓷片镀电极之后，测试其离子电导率，利用SEM观察了烧结体的表面形貌。研究了用Yb2O3作掺杂剂对ZrO2基固体电解质电性能的影响。结果表明：与8YSZ的电导率相比，8YbSZ烧结体的电导率有所提高，在500℃的操作温度下所测的电导率就大于10-3S·cm-1，完全符合中温固体电解质的基本要求。对于4Yb-8YSZ三元系统，与8YSZ二元系统相比电导率并没有太大的变化。在8YSZ二元系统中掺杂一定量的Yb2O3并没有起到提高电导率的效果。 4.ZrO2陶瓷器件在700℃进行退火处理1000个小时，研究了ZrO2基固体电解质老化性能。结果表明：在700℃进行退火处理1000个小时后，8YSZ、8YbSZ、4Yb-8YSZ的电导率分别下降39％、49％、10％。比较8YSZ、4Yb-8YSZ、8YbSZ三种材料表明，掺杂8mol％Yb2O3可提高了ZrO2基固体电解质材料的氧离子电导率；在8YSZ二元系统掺杂Yb2O3可改善ZrO2固体电解质材料的老化性能。本研究项目是国家重点新产品试制计划资助项目(2000G041D680023)的基金。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章文献综述

1.1概述

1.2氧化锆基固体电解质

1.3氧化锆固体电解质的导电机理

1.3.1离子电导理论

1.3.2萤石型氧化物缺陷化学

1.4氧化锆固体电解质的制备方法

1.4.1氧化锆粉体制备

1.4.2氧化锆陶瓷的制备

1.5氧化锆固体电解质的应用

1.5.1氧化锆氧传感器

1.5.2固体电解质燃料电池

1.6 ZrO2基同体电解质材料目前存在的问题

1.7论文的研究内容、意义

1.7.1论文研究材料组成的提出

1.7.2论文的研究内容

第二章试验过程

2.1原料及试验设备仪器

2.2工艺流程

2.2.1氧化锆粉体的制备

2.2.2氧化锆烧结体的制备

2.3配方的设计

2.4性能测试

2.4.1粉体的性能测试

2.4.2烧结体的性能测试

2.4.3电学性能和老化测试

第三章氧化锆粉体的结果和讨论

3.1引言

3.2试验结果和讨论

3.2.1 8YSZ粉体结果讨论

3.3.2 8YbSZ粉体结果讨论

3.3.3 4Yb-8YSZ粉体结果讨论

3.3.4相结构分析

3.3本章小结

第四章ZrO2基固体电解质的电性能

4.1引言

4.2试验结果和讨论

4.2.1样品的烧结曲线

4.2.2样品的烧结密度

4.2.3相结构分析

4.2.4密度对氧化锆固体电解质电性能的影响

4.2.5不同组成的氧化锆固体电解质的性能

4.2.6温度对氧化锆固体电解质电性能的影响

4.2.7微观结构分析

4.3本章小结

第五章ZrO2基固体电解质的老化

5.1引言

5.2试验结果与讨论

5.2.1氧化锆基固体电解质的高温老化性能

5.2.2相结构分析

5.4本章小结

第六章全文总结

参考文献

作者在攻读硕士期间公开发表的论文

致谢