CeO2基電解質薄膜的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells，SOFCs)是一種直接將化學能轉化為電能的高效發(fā)電裝置，其發(fā)展趨勢是運行溫度中低溫化以降低成本、實現(xiàn)商業(yè)化應用。電池工作溫度降低會引起電解質歐姆阻抗和電極極化阻抗增大的問題，從而降低電池的工作效率，解決上述問題是發(fā)展中低溫SOFCs的前提和基礎。其中降低電解質的歐姆阻抗問題主要通過以下兩個途徑實現(xiàn):一是將電解質材料薄膜化，二是采用中低溫下具有高氧離子電導率等優(yōu)異性能的新型電解質

2、材料。目前研究表明，400-700℃溫度下，摻雜濃度為10％-20％左右的Sm2O3摻雜的CeO2電解質具有較高離子電導率，SDC是極具應用潛力的中低溫SOFC電解質材料。
　　本文選定Sm0.2Ce0.8O2-δ為對象，研究不同的制備工藝對材料相組成、結構和電性能的影響，探討摻雜元素的種類和含量對材料組成、晶體結構和導電性能的影響，并采用脈沖激光沉積(PLD)技術制備SDC電解質薄膜，并通過對一系列工藝參數(shù)的調節(jié)和控制，研究影響

3、薄膜性能的主要因素。實驗結果表明:
　　1.分別使用固相反應法、溶膠-凝膠法和共沉淀法制備了Sm0.2Ce0.8O2-δ粉體，XRD分析表明合成的SDC為單相立方螢石結構。三種方法制備的SDC中，共沉淀法制備的粉體粒徑最小，為0.91μm，比表面積最大，為3.60m2/g，其粉體活性最高，在相同燒結溫度下更容易致密。共沉淀法所需的燒結溫度最低，在1250℃燒結得到的SDC達到97％的致密度。中低溫階段，共沉淀法、溶膠-凝膠法和固相

4、法制備SDC的離子電導率在800℃時分別為0.052Scm-1、0.046Scm-1和0.043Scm-1，三種方法制備的SDC熱膨脹率接近。上述結果表明，共沉淀法制各的SDC在較低溫度下能致密化且具備良好的電化學性能。
　　2.使用GNP法合成Sm0.2Ce0.8-xMxO2-δ(M=Fe，Co，Ni)(x=0.005-0.02)，研究摻雜過渡族元素對SDC電解質材料的影響。XRD分析表明摻雜的Fe3+、Co2+、Ni2+部分取

5、代了Ce4+的位置，沒有改變立方螢石結構。致密度結果顯示三種元素摻雜不同程度提高SDC燒結致密性，在相同燒結溫度，摻雜量為1mol.％的樣品的致密度在不同摻雜量中均為最高。隨著摻雜元素含量的增大，試樣的熱膨脹系數(shù)增大。摻雜量1mol.％Fe3+的SDC在1350℃燒結后致密度達到97.2％，離子電導率最好，800℃最大電導率達到0.063Scm-1，活化能為0.73eV。
　　3.電解質SDC的薄膜化，探索使用PLD沉積的工藝參數(shù)

6、和熱處理溫度對薄膜形貌、致密度以及電學性能的影響。薄膜XRD圖譜與標準PDF卡片對比顯示沒有雜峰，制備的薄膜符合需要。隨著襯底溫度的升高，孔洞越來越少，致密度越好。同一沉積溫度下隨熱處理溫度越高，薄膜表面更致密，組織更均勻。在沉積過程中要控制襯底溫度，一般650-700℃為宜，后期熱處理溫度900-1100℃為宜。對薄膜電化學性能分析，沉積溫度650℃后1100℃熱處理2h后的薄膜有最好的電化學性能，電導率達到0.075Scm-1，活化