摻雜CeO2基固體電解質(zhì)的制備及電性能.pdf

1、摻雜CeO2基固體電解質(zhì)因其較高的離子電導(dǎo)率,以及相對(duì)較低的工作溫度使其成為較理想的固體氧化物燃料電池(SOFC)的電解質(zhì)材料。據(jù)報(bào)道:稀土金屬離子以及堿土金屬離子,特別是Gd3+、Sm3+、Nd3+以及Ca2+、Sr2+的單摻雜可以很好地提高CeO2固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。近年來的研究表明,稀土金屬離子以及堿土金屬離子的共摻雜可以進(jìn)一步提高CeO2固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,因此成為人們研究的熱點(diǎn)。
　　 本文以Ce(NO3)3·

2、6H2O、Gd(NO3)3·5H2O、Nd(NO3)3·6H2O和Ca(NO3)2為原料,檸檬酸為燃料,NH4NO3為助燃劑,采用檸檬酸燃燒法制備了Ce0.8Gd0.2-xNdxO1.9(x=0.00～0.20)和Ce0.8Gd0.12Nd0.08-xCaxO2-δ(x=0.00～0.08)系列粉體。運(yùn)用TG-DSC、XRD等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)粉體前驅(qū)體和粉體的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了表征。將粉體成型、燒結(jié)得到電解質(zhì)陶瓷體。對(duì)陶瓷體進(jìn)行SEM表征以及交流

3、阻抗測(cè)試,研究了陶瓷體的電性能。得到以下結(jié)論:
　　 (1)XRD結(jié)果表明Ce0.8Gd0.2-xNdxO1.9和Ce0.8Gd0.12Nd0.08-xCaxO2-δ粉體均為立方螢石結(jié)構(gòu)。XRD圖譜的Rietveld精修結(jié)果表明Ce0.8Gd0.2-xNdxO1.9的晶胞常數(shù)a隨Nd3+摻雜量的增加而線性增加,符合Vegard定律。其關(guān)系式為:
　　 a(A)=5.42237+0.12079x(S.D.=4.68×10-

4、4)
　　 Ce0.8Gd0.12Nd0.08-xCaxO2-δ的晶胞常數(shù)a隨著Ca2+摻雜量的減小而線性增加,符合Vegard定律。其關(guān)系式可表示為:
　　 a(A)=5.43124-0.0985x(S.D.=4.66×10-4)
　　 (2)SEM結(jié)果表明Ce0.8Gd0.2-xNdxO1.9陶瓷體隨著燒結(jié)溫度的升高,其晶粒逐漸長(zhǎng)大,在1200℃為0.2～0.4μm,1400℃時(shí)達(dá)到0.6～0.7μm。120

5、0℃陶瓷體的結(jié)構(gòu)比較松散,1300℃陶瓷體的結(jié)構(gòu)較為致密；Ce0.8Gd0.12Nd0.08-xaxO2-δ陶瓷體的粒徑由1200℃時(shí)的0.4～0.6μm逐漸增大到1400℃時(shí)的1.7～2.5μm,當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1300℃和1400℃時(shí),粒徑迅速增大,氣孔增多,致密度降低。
　　 (3)研究了Nd3+摻雜Ce0.8Gd0.2O1.9固體電解質(zhì)的電性能,發(fā)現(xiàn)隨著Nd3+摻雜量的增加,樣品的電導(dǎo)率先增加,而后減小。當(dāng)摻雜量x=0.

6、08(以Nd計(jì)量)時(shí),電導(dǎo)率達(dá)最大值,700℃的電導(dǎo)率為6.04×10-2 S/cm,高于Ce0.8Gd0.2O1.9的電導(dǎo)率。同時(shí),研究了摻雜量和燒結(jié)溫度對(duì)其晶粒、晶界電導(dǎo)率以及電導(dǎo)活化能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):燒結(jié)溫度對(duì)晶界電導(dǎo)和電導(dǎo)活化能影響較大。當(dāng)樣品的總電導(dǎo)率達(dá)到最大值時(shí),其晶界電導(dǎo)率達(dá)最大值3.85×10-3S/cm、電導(dǎo)活化能降至最小值0.57 eV。
　　 (4)研究了Ca2+摻雜對(duì)Ce0.8Gd0.12Nd0.08O

7、1.9固體電解質(zhì)電性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜比x=0.02(以Ca計(jì)量)時(shí),電導(dǎo)率達(dá)最大值,在700℃下的電導(dǎo)率為6.24×10-2 S/cm,高于Ce0.8Gd0.12Nd0.08O1.9的電導(dǎo)率。當(dāng)x>0.02時(shí)電導(dǎo)率反而降低。同時(shí),研究了摻雜量和燒結(jié)溫度對(duì)其晶粒、晶界電導(dǎo)率以及電導(dǎo)活化能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):燒結(jié)溫度對(duì)晶界電導(dǎo)和電導(dǎo)活化能影響較大,當(dāng)樣品的總電導(dǎo)率達(dá)到最大值時(shí),其晶界電導(dǎo)率達(dá)最大值5.63×10-3S/cm、電導(dǎo)活化能降至