氮雜磷灰石型硅酸鑭固體電解質及其電導性能研究.pdf

1、磷灰石型La9.33(SiO4)6O2(以下簡稱LSO)是一種新型固體電解質,在燃料電池這一新能源和清潔能源領域有著很好的應用潛力。目前,這種材料還存在制備方法耗能且不便,多位摻雜研究不系統(tǒng)等問題。采用合適的摻雜手段和制備工藝可以提高LSO的氧離子電導性能,促進其在SOFCs中的商業(yè)化運用。
　　本論文采用優(yōu)化的尿素凝膠燃燒法,輔以N2/H2微波等離子體增強的方法成功制備了氮摻雜的磷灰石型硅酸鑭固體電解質(以下簡稱LSON),并對

2、LSON粉體及燒結體進行了分析表征和測試。在此基礎上,主要的研究內容和結果為:
　　(1)采用電子探針及XPS表征,研究了LSON的元素組成及價態(tài)形式。結果表明:LSON的化學式為La9.33(SiO4)6O2-1.5xNx,其中,N取代c軸63方向通道O,與La(Ⅱ)形成La(Ⅱ)-N鍵,并產(chǎn)生[N…O]的庫侖力作用;
　　(2)通過FT-IR和Raman光譜研究了LSON的氮雜結構單元。結果表明:氮雜影響磷灰石型晶體結構

3、的內振動模式,會導致晶格中[SiO4]四面體的ν1和ν3振動模式的三重簡并分裂,對稱伸縮振動的分裂達到20cm-1;
　　(3)通過分析La(Ⅱ)-N鍵與[N…O]庫侖力分別在315cm-1和355cm-1處的拉曼強度,研究了不同等離子體工藝條件下LSON的氮摻雜量。在微波功率300W,等離子體作用15min時,氮摻雜量可達到0.26wt％;
　　(4)采用TG-DSC和SEM表征手段,結合燒結體的線收縮率測試,研究了LSO

4、N的熱穩(wěn)定性和燒結性能。結果表明:存在于磷灰石型LSON晶格結構中的氮元素,在燒結溫度高于1200℃后,將會脫離晶格結構而釋放出來。LSON的最佳燒結條件為1200℃保溫燒結6h,致密度可達到95%;
　　(5)運用交流阻抗譜法研究了LSON燒結體的電性能。結果表明:微波等離子體對LSO進行氮摻雜能夠提高硅酸鑭的O2-離子電導率。其中,在300W/10min的實驗條件下,電導率最高,在800℃時,達到1.28×10-2S·cm-1