ZnO对Y掺杂BaCeO-BaZrO固溶体的烧结行为及其电性能研究

摘要

具有钙钛矿结构的高温质子导体以其较高的离子电导率和质子迁移数，以及较低的电导活化能，已成为中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)电解质材料的热门候选。在高温质子导体中掺杂BaCeO3和BaZrO3是最有发展前途的两类材料，但是在高电导率和高稳定性上的不统一却制约着这两类材料的实际应用。BaCeO3基材料具有较高的电导率，但是在水和二氧化碳下稳定性较差。相比之下，BaZrO3基材料对CO2和水都具有较高的抵抗力，但是其致密化需要在很高的温度(>1700℃)下才能完成，并且较高的晶界电阻也大大降低了电导率。研究者们发现BaCeO3-BaZrO3固溶体兼具高电导率和高稳定性的优点，但是高Zr含量的固溶体烧结仍很困难。 为了解决这一难题，本论文以ZnO作为助烧结剂，利用固相反应法制备了一系列Y掺杂BaCeO3-BaZrO3质子导体材料。研究掺杂BaCeO3-BaZrO3在ZnO烧结助剂作用下的烧结行为，晶体结构和电导率变化，并提出了ZnO对BaCeO3-BaZrO3基质子导体材料的烧结机理。 第一章概述了固体氧化物燃料电池(SOFCs)的工作原理、发展趋势及关键材料，特别对钙钛矿型质子导体的导电机理，缺陷化学，稳定性以及应用等方面作了简单综述。 材料的制备和表征方法是材料研究的基础。第二章对本论文所涉及的制备和表征方法包括电化学阻抗谱法，XRD，ICP-AES，EDX法作了简要介绍。 第三章是本文的核心内容，介绍通过改变或固定Y的含量制备BaCe0.5Zr0.3Y0.2-xZnxO2.9-0.5x和BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+yZnO两个系列，并研究ZnO对钙钛矿结构，烧结性能和电性能的影响。实验发现在1300℃，10 hrs条件下，BaCe0.5Zr0.3Y0.2-xZnxO2.9-0.5x存在明显的BaO和ZnO的共挥发现象，大约80％的ZnO伴随着1.2倍的BaO。由此可以证明，BaO-ZnO的低共熔物对样品的致密化起作用。对于BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+yZnO，ZnO同样会造成BaO的缺失，并造成A位缺位，当y=0.08及0.14时生成Y2O3，而在0.20时则产生Y2BaZnO5。对两个体系来说，ZnO的摩尔含量在2～8％之内都能够得到97％以上的烧结体。电导率测试显示，Y的含量对于保证高电导率至关重要。而ZnO不但不是BaCeO3-BaZrO3的有效掺杂剂，相反多余的ZnO会降低晶界电导，从而使总电导率降低。实验得到的最优组分为BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9+0.04ZnO，相对密度约98.5％，电导率在600℃，湿氢气(3％H2O+97％H2)气氛下为1.35×10-2 S·cm-1。 第四章对BaZr0.2Co0.4Fe0.4O3-δ(BZCF)作为中温燃料电池阴极的可能性进行了初步探索。分别测试了BZCF在BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9和Ce0.8Sm0.2O2.9电解质上的单电池性能。

目录

文摘

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声明

第一章 绪论

1.1燃料电池简介

1.2固体氧化物燃料电池(SOFCs)

1.2.1电解质

1.2.2阳极

1.2.3阴极

1.3高温质子导体氧化物

1.3.1钙钛矿结构及其质子传导机理

1.3.2缺陷化学和热力学基础

1.3.3高温质子导体导电性能

1.3.4稳定性

1.3.5高温质子导体的应用

1.4本论文的立意和研究内容

参考文献

第二章实验方法

2.1制备方法

2.1.1固相反应法

2.1.2柠檬酸法

2.2表征方法

2.2.1 X射线晶体衍射

2.2.2扫描电子显微镜-SEM

2.2.3电化学阻抗谱

2.2.4元素分析

参考文献

第三章ZnO对Y掺杂BaCeO3-BaZrO3固溶体的烧结行为及其电性能研究

3.1概述

3.2实验

3.2.1样品制备

3.2.2测试与表征

3.3结果与讨论

3.3.1 ZnO对钙钛矿结构和成分的影响

3.3.2 ZnO对Y掺杂BaCeO3-BaZrO3固溶体的烧结行为

3.3.3 ZnO对Y掺杂BaCeO3-BaZrO3固溶体电导率的影响

3.4本章小结

参考文献

第四章中温燃料电池新型阴极材料的探索

4.1概述

4.2实验部分

4.2.1粉体的制备

4.2.2单电池的制备

4.3结果与讨论

4.3.1 BaCe0.5Zr0.3Y0.2O2.9

4.3.2 Ce0.8Sm0.2O2.9(SDC)

4.4本章小结

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢