无机盐复合Sc掺杂BaZrO3质子导体的制备与性能研究

摘要

采用高温固相法合成了Sc掺杂的BaZrO3粉料,以ZnO作助烧剂,采用常压烧结法制备了BaZrO3质子导体。通过热失重分析确定粉料的预合成温度为1300℃。XRD分析表明,烧结后的试样为单相钙钛矿结构,晶胞参数减小为0.4191nm。ZnO对材料的烧结有明显的促进作用,2mol％ZnO掺杂试样的烧结密度最高,1450℃保温6h的试样相对密度达88.3％。采用三电极法测试试样电导率结果表明,随着ZnO掺杂量的增加,试样的载流子浓度不断提高,但活化能先降低后升高,1mol％ZnO掺杂试样具有最低的活化能,为0.54eV。随着Sc2O3掺杂量的增加,试样的活化能小幅降低,而载流子浓度先升高后降低。Sc掺杂通过形成氧空位影响材料中的载流子浓度,并成为试样电导率的决定因素,13mol％Sc掺杂试样具有最高的载流子浓度。试样电导率是载流子浓度与迁移速率共同决定的,2Zn13Sc试样具有最高的电导率,在800℃湿氢气氛下达3.6×10-3S／cm。
　　 针对BaZrO3质子导体晶界电导低的特点,对2Zn13Sc试样进行无机盐复合,所选无机盐包括CaF2、BaF2、NaF与NaCl。热膨胀曲线表明,CaF2与BaF2对试样的烧结有一定的促进作用,但由于无机盐在高温下的挥发,除CaF2复合试样烧结密度可达95％外,其余均在90％左右。XRD与EDS分析表明,无机盐不仅存在于材料晶界处,也存在于材料内部,从而对材料的载流子的浓度与迁移率均有影响。NaF复合试样具有最低的迁移活化能,从基体的0.69eV降低到0.20eV左右,相应的其电导率也最高,在800℃湿氢气氛下达1.8×10-3 S／cm。CaF2与NaF共复合试样具有良好的烧结密度,但由于二者共复合引起的双碱效应,试样的载流子移动困难,具有很高的活化能而不利于电导率。