锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料及其制备方法

摘要

锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料及其制备方法，涉及复合质子导体材料及其制备方法的领域。本发明是要解决现有稀土氧化物掺杂的钙钛矿型锆酸钡材料由于掺杂了稀土氧化物，使得制造成本大大提高；同时现有的溶胶凝胶法等制备方法操作复杂、成本高的问题。锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料：化学组成为(1-x)BaZrO3–xZrO2，是按化学计量比由ZrO2粉体和BaCO3粉体制备而成的，其中0＜x≤0.4。制备方法：一、准备原料；二、混合；三、煅烧后研磨；四、压片并冷等静压后烧结。本发明适用于氢泵、固体电解质以及氢气、水蒸气传感器领域。

说明书

技术领域

本发明涉及复合质子导体材料及其制备方法的领域。

背景技术

全球石化危机和可持续发展均要求采用清洁能源，氢能储量丰富、绿色环保，是首选 能源并且可以循环利用。质子导体材料是氢能应用技术的一大类材料。利用质子导体材料 可以制备出各种器件，如：氢泵、氢气传感器、水蒸气传感器、碳氢化合物传感器、熔融 金属中氢传感器和固体电解质等。可见其用途十分广泛。钙钛矿型锆酸钡材料具有良好的 化学稳定性，深受研究人员的青睐。通常研究的锆酸钡质子导体材料是稀土氧化物掺杂的 锆酸钡材料。由于稀土氧化物的价格昂贵，使得钙钛矿型锆酸钡材料的制造成本很高，同 时由于制备方法多是化学法，其操作繁琐、成本高，极大地限制了此类材料的发展和应用。

发明内容

本发明是要解决现有稀土氧化物掺杂的钙钛矿型锆酸钡材料由于掺杂了稀土氧化物， 使得制造成本大大提高；同时现有的溶胶凝胶法等制备方法操作复杂、成本高的问题，而 提供了锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料及其制备方法。

锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为(1-x)BaZrO₃-xZrO₂，是按化学 计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的，其中0＜x≤0.4。

锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、按化学组成为(1-x)BaZrO₃–xZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中0＜x≤0.4；

二、将经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体湿磨混合均匀，干燥后得到混合物粉 体；

三、将步骤二得到的混合物粉体，在1373K～1623K的温度下煅烧5h～10h，然后，用 研钵研磨，过120~200目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa~50MPa的机械压力下进行压片， 恒压0.5min~3min后，卸去压力，然后冷等静压，在1773K～1973K的温度下烧结，恒温 2h~10h后，自然冷却，即得到锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，其中，所述的冷等静 压的压力为200MPa~400MPa。

本发明的优点：

一、本发明的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，在水蒸气和氢气的混合气氛中具有 质子传导特性，化学组成为0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料在 1073K的电导率为1.19×10^-3S·cm^-1，在不采用昂贵的稀土材料时，仍可达到了10^-3S·cm^-1以上；

二、本发明的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料的制备方法，工艺简单，操作方便， 成本低廉，适合工业化大规模生产。

附图说明

图1为试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料Ⅱ、试验三得到的材料Ⅲ和试验四得 到的材料Ⅳ的X射线衍射的对比图。

图2为现有的单相的纯BaZrO₃材料、试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料Ⅱ、 试验三得到的材料Ⅲ和试验四得到的材料Ⅳ在湿润氢气(4%H₂O/H₂)中的总电导率 Arrhenius对比谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为 (1-x)BaZrO₃–xZrO₂，是按化学计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的，其中0＜x ≤0.4。

本实施方式的优点：本实施方式的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，在水蒸气和氢 气的混合气氛中具有质子传导特性，化学组成为0.7BaZrO₃-0.3ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复 合质子导体材料在1073K的电导率为1.19×10^-3S·cm^-1，在不采用昂贵的稀土材料时，仍 可达到了10^-3S·cm^-1以上。

具体实施方式二：本实施方式提供了锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料的制备方法， 具体是按以下步骤完成的：

一、按化学组成为(1-x)BaZrO₃-xZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中0＜x≤0.4；

二、将经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体湿磨混合均匀，干燥后得到混合物粉 体；

三、将步骤二得到的混合物粉体，在1373K～1623K的温度下煅烧5h~10h，然后，用 研钵研磨，过120~200目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa~50MPa的机械压力下进行压片， 恒压0.5min~3min后，卸去压力，然后冷等静压，在1773K～1973K的温度下烧结，恒温 2h~10h后，自然冷却，即得到锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，其中，所述的冷等静 压的压力为200MPa~400MPa。

本实施方式的优点：一、本实施方式的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，在水蒸气 和氢气的混合气氛中具有质子传导特性，化学组成为0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂的锆酸钡与氧化 锆复合质子导体材料在1073K的电导率为1.19×10^-3S·cm^-1，在不采用昂贵的稀土材料时， 仍可达到了10^-3S·cm^-1以上；二、本实施方式的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料的制备 方法，工艺简单，操作方便，成本低廉，适合工业化大规模生产。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于：所述的步骤一中的对 ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理的方法为：将ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别在 373K~473K下热处理1h~5h。其它与具体实施方式二相同。

本实施方式中所述除杂处理方法的目的是为了除去ZrO₂粉体和BaCO₃粉体中含有的 水分和杂质，避免杂质对称量精度的影响。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二至三之一的不同点在于：所述的步骤 二中的湿磨混合具体条件为：向滚筒式球磨机中，加入ZrO₂粉体和BaCO₃粉体，然后， 加入无水乙醇或者蒸馏水作为分散介质，加入氧化锆球作为磨球，以200r/min~500r/min 的转速球磨12h~48h；其中，所述的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总和与磨球的质 量比为1:(1~5)，所述的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总质量与无水乙醇或蒸馏水的 体积的比为1g:(0.5mL~2.5mL）。其它与具体实施方式二至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一的不同点在于：所述的步骤 三中的研磨的方法具体为：采用玛瑙研钵研磨。其它与具体实施方式二至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一的不同点在于：所述的步骤 三中为在1523K的温度下煅烧10h。其它与具体实施方式二至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一的不同点在于：所述的步骤 四中为在20MPa的机械压力下进行压片，恒压2min。其它与具体实施方式二至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一的不同点在于：所述的步骤 四中的冷等静压的压力为260MPa。其它与具体实施方式二至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一的不同点在于：所述的步骤 四中为在1973K的温度下烧结，恒温10h。其它与具体实施方式二至八相同。

采用以下试验验证本发明的效果：

试验一：本试验提供的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为 0.9BaZrO₃–0.1ZrO₂，是按化学计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的。

制备方法：

一、按化学组成为0.9BaZrO₃–0.1ZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中，所述的步骤一中的对ZrO₂粉体 和BaCO₃粉体分别进行除杂处理的方法为：将ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别在393K下热 处理4h；

二、向滚筒式球磨机中，加入经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体，然后，加入 无水乙醇为分散介质，加入氧化锆球做为磨球，以400r/min的转速球磨24h；其中，所述 的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总和与磨球的质量比为1:2.5，所述的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总质量与无水乙醇的体积的比为1g:1mL；

三、将步骤二得到的混合粉体，在1523K的温度下煅烧10h，然后，采用玛瑙研钵研 磨，过160目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa的机械压力下进行压片，恒压 2min后，卸去压力，然后冷等静压，在1973K的温度下烧结，恒温10h后，自然冷却， 得到材料Ⅰ，即得到化学组成为0.9BaZrO₃–0.1ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料， 其中，冷等静压的压力为260MPa。

试验二：本试验提供的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为 0.8BaZrO₃-0.2ZrO₂，是按化学计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的。

制备方法：

一、按化学组成为0.8BaZrO₃-0.2ZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中，所述的步骤一中的对ZrO₂粉体 和BaCO₃粉体分别进行除杂处理的方法为：将ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别在393K下热 处理4h；

二、向滚筒式球磨机中，加入经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体，然后，加入 无水乙醇为分散介质，加入氧化锆球做为磨球，以400r/min的转速球磨24h；其中，所述 的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总和与磨球的质量比为1:2.5，所述的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总质量与无水乙醇的体积的比为1g:1mL；

三、将步骤二得到的混合粉体，在1523K的温度下煅烧10h，然后，采用玛瑙研钵研 磨，过160目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa的机械压力下进行压片，恒压 2min后，卸去压力，然后冷等静压，在1973K的温度下烧结，恒温10h后，自然冷却， 得到材料Ⅱ，即得到化学组成为0.8BaZrO₃–0.2ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料， 其中，冷等静压的压力为260MPa。

试验三：本试验提供的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为 0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂，是按化学计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的。

制备方法：

一、按化学组成为0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中，所述的步骤一中的对ZrO₂粉体 和BaCO₃粉体分别进行除杂处理的方法为：将ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别在393K下热 处理4h；

二、向滚筒式球磨机中，加入经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体，然后，加入 无水乙醇为分散介质，加入氧化锆球做为磨球，以400r/min的转速球磨24h；其中，所述 的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总和与磨球的质量比为1:2.5，所述的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总质量与无水乙醇的体积的比为1g:1mL；

三、将步骤二得到的混合粉体，在1523K的温度下煅烧10h，然后，采用玛瑙研钵研 磨，过160目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa的机械压力下进行压片，恒压 2min后，卸去压力，然后冷等静压，在1973K的温度下烧结，恒温10h后，自然冷却， 得到材料Ⅲ，即得到化学组成为0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料， 其中，冷等静压的压力为260MPa。

试验四：本试验提供的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料，它的化学组成为 0.6BaZrO₃-0.4ZrO₂，是按化学计量比由ZrO₂粉体和BaCO₃粉体制备而成的。

制备方法：

一、按化学组成为0.6BaZrO₃-0.4ZrO₂中的化学计量比称量ZrO₂粉体和BaCO₃粉体， 并对ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中，所述的步骤一中的对ZrO₂粉体 和BaCO₃粉体分别进行除杂处理的方法为：将ZrO₂粉体和BaCO₃粉体分别在393K下热 处理4h；

二、向滚筒式球磨机中，加入经步骤一处理的ZrO₂粉体和BaCO₃粉体，然后，加入 无水乙醇为分散介质，加入氧化锆球做为磨球，以400r/min的转速球磨24h；其中，所述 的球磨机中ZrO₂粉体和BaCO₃粉体的总和与磨球的质量比为1:2.5，所述的球磨机中ZrO₂ 粉体和BaCO₃粉体的总质量与无水乙醇的体积的比为1g:1mL；

三、将步骤二得到的混合粉体，在1523K的温度下煅烧10h，然后，采用玛瑙研钵研 磨，过160目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa的机械压力下进行压片，恒压 2min后，卸去压力，然后冷等静压，在1973K的温度下烧结，恒温10h后，自然冷却， 得到材料Ⅳ，即得到化学组成为0.6BaZrO₃–0.4ZrO₂的锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料， 其中，冷等静压的压力为260MPa。

对试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料Ⅱ、试验三得到的材料Ⅲ和试验四得到的 材料Ⅳ进行X射线衍射测试，得到图1。图1为试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料 Ⅱ、试验三得到的材料Ⅲ和试验四得到的材料Ⅳ的X射线衍射的对比图。其中，a为试验 一得到的材料Ⅰ，即为0.9BaZrO₃–0.1ZrO₂；b为试验二得到的材料Ⅱ，即为 0.8BaZrO₃–0.2ZrO₂；c为试验三得到的材料Ⅲ，即为0.7BaZrO₃–0.3ZrO₂；d为试验四得到 的材料Ⅳ，即为0.6BaZrO₃–0.4ZrO₂。从图1中，可以观察到2θ在21.20°、30.20°、37.19°、 43.16°、48.53°、53.59°、62.69°、71.1°、75.24°、79.09°和86.88°附近处出现了衍射峰，这 些衍射峰表明制备材料是钙钛矿结构的锆酸钡，同时，2θ在28.29°和31.56°附近出现了 明显的衍射峰，这是单斜相氧化锆的第一强峰和第二强峰，并且在24.11°、24.52°、34.31°、 35.34°、49.44°、50.14°和50.66°均出现了衍射峰，这些峰也是单斜相的氧化锆的衍射峰； 证明制备得到了锆酸钡与氧化锆复合质子导体材料。

对现有的单相的纯BaZrO₃、试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料Ⅱ、试验三得 到的材料Ⅲ和试验四得到的材料Ⅳ进行在湿润氢气(4%H₂O/H₂)中的总电导率的测试，得 到图2。图2为现有的单相的纯BaZrO₃、试验一得到的材料Ⅰ、试验二得到的材料Ⅱ、 试验三得到的材料Ⅲ和试验四得到的材料Ⅳ在湿润氢气(4%H₂O/H₂)中的总电导率 Arrhenius对比谱图。其中，■为现有的单相的纯BaZrO₃；★为试验一得到的材料Ⅰ，即 为0.9BaZrO₃-0.1ZrO₂；○为试验二得到的材料Ⅱ，即为0.8BaZrO₃-0.2ZrO₂；▲为试验三 得到的材料Ⅲ，即为0.7BaZrO₃-0.3ZrO₂；□为试验四得到的材料Ⅳ，即为 0.6BaZrO₃-0.4ZrO₂。从图2中，可以观察到试验三得到的材料Ⅲ在1023K和1073K时的 电导率均分别为1.05×10^-3S·cm^-1和1.19×10^-3S·cm^-1；所有得到的复合材料电导率均高于现 有的单相锆酸钡材料的电导率。