金屬氧化物摻雜對(duì)高純摻雜ce0.8nd0.2o1.9體系結(jié)構(gòu)和電性能的影響

1、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要固體電解質(zhì)是固體氧化物燃料電池( S o l i dO x i d e F u e lC e l l ，S O F C ) 的重要組成部分之一，其在很大程度上決定S O F C 的操作溫度。C e 0 2 基電解質(zhì)作為中溫固體氧化物燃料電池最有希望的電解質(zhì)材料之一，其具有較高的離子電導(dǎo)率和較低的電導(dǎo)激活能。但C e 0 2 基電解質(zhì)主要缺點(diǎn)是在1 5 0 0 ℃下很難致密化，同時(shí)高溫?zé)Y(jié)又大大增加C e 0

2、2 基電解質(zhì)的制造成本。過(guò)渡金屬氧化物作為燒結(jié)助劑可以降低材料的燒結(jié)溫度，改善C e 0 2 基電解質(zhì)的導(dǎo)電性能。而多晶C e 0 2 基電解質(zhì)材料的晶界處會(huì)聚集很多雜質(zhì)S i 相，將會(huì)對(duì)電導(dǎo)性產(chǎn)生不利的影響。添加晶界改善劑能明顯提高C e O ：基電解質(zhì)材料的導(dǎo)電性。同時(shí)，堿土金屬與稀土金屬共摻的C e 0 2 基電解質(zhì)中氧空位的濃度增加，進(jìn)而可以導(dǎo)電的氧離子數(shù)目增加，樣品的導(dǎo)電性增加。本文以M g O 和N d 2 0 3共摻雜C

3、e 0 2 ( N M D C ) 為研究體系，確定出堿土金屬的最佳摻雜比例；同時(shí)，對(duì)添加過(guò)渡金屬氧化物改善非純N M D C ．S i 0 2 體系的電導(dǎo)性也有一定的研究。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：采用溶膠一凝膠法制備c e o ．8 N d o ．2 ．x A e x 0 2 ．6 ( x ，摩爾分?jǐn)?shù)) 高純和非純C e o 8 N d 0 ．2 - x A e 。0 2 ．6 0 ．1 ％( w ) S i 0 2 + x M O

4、 s ( w ，質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 。x 一射線(xiàn)衍射( X R D ) 幣D 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡( F E —S E M l 測(cè)試其結(jié)構(gòu)，交流阻抗譜測(cè)試導(dǎo)電性能。結(jié)果表明：( 1 ) C e o 8 N d 0 ．2 ．，M g x 0 2 ．5 ( x = 0 ，O ．0 5 ，O ．1 0 ，O ．1 5 ，0 ．2 0 ) 系列樣品均呈現(xiàn)立方螢石結(jié)構(gòu)，當(dāng)X0 ．1 0 時(shí)出現(xiàn)雜質(zhì)相。F E ．S E M 測(cè)試表明少量M g O 的添加可降低樣

5、品的孔隙率，有效的提高樣品的致密度；而M g O 含量較多時(shí)，孔隙率增大，不利于致密性的提高，因而不利于導(dǎo)電性的提高。樣品c e o ．8 N d o ，l M 銣．1 0 2 - s具有最小的晶界電阻和總電阻、相對(duì)較小的總電導(dǎo)的活化能，因而其具有最大的總電導(dǎo)率。c e o 8 N d o 2 ．x M g 。0 2 ．6 樣品中M g 的最佳摻雜量為x = 0 ．1 0 ，即N d 和M g 的最佳比例為1 ：1 。( 2 ) C e

6、 o ．8 N d o ．1 A e o ．1 0 2 ．6 ( A e = M g 、C a 、S r ) 樣品都呈立方螢石結(jié)構(gòu)，沒(méi)有其他雜質(zhì)相存在。F E —S E M 測(cè)試表明，C a O 的添加導(dǎo)致樣品孔隙度升高，致密度降低，因而電導(dǎo)率降低；S r O 的添加促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，有助于樣品的燒結(jié)，但樣品晶粒尺寸分布不均勻。樣品c e o ．8 N d 0 ．1 M g o ．1 0 2 ．6 具有最小的晶界電阻、總電阻和相對(duì)較小的總電

7、導(dǎo)活化能，因而其具有較大的總電導(dǎo)率。( 3 ) 非純C e o ．8 N d o ．1 M g o ．1 0 2 ．6 - S i + x M O 體系的樣品都是立方螢石結(jié)構(gòu)。F E —S E M 測(cè)試表明Z n O 或F e 2 0 3 均能促進(jìn)晶粒的增長(zhǎng)，使樣品更加致密，進(jìn)而降低燒結(jié)溫度。樣品C e o ．8 N d ol M g o 1 0 2 - 6 - S i 具有最小的晶界電導(dǎo)和總電導(dǎo)，添加的Z n O 或F e z 0 3

8、 對(duì)于晶界處的雜質(zhì)硅起到有效的清除或抑制作用，能有效改善其晶界電導(dǎo)率，進(jìn)而提高總電導(dǎo)率。關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池固體電解質(zhì)共摻氧化鈰 電導(dǎo)率長(zhǎng)春工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文c o n d u c t i v i t y ．T h e b e s t d o p i n g a m o u n t o f M g Oi s X = 0 ．1 i n t h e s a m p l e o fC e 0 ．s N 山．2 - x M ：＆0 2

9、—8 ，t h a ti s t os a y , t h e b e s tp r o p o r t i o n o f M g a n d N d i s 1 ：1 ．( 2 ) T h e s a m p l e s o f C e 0 ．s N d o ．t A e 0 ．1 0 2 ．6 ( A e = M g 、C a 、s t ) p r e s e n tc u b i c f l u o r i t es 仃u c

10、n l r ea n d t h e r e i sn oo t h e r i m p u r i t yp h a s e ．T h e t e s to f F E —S E M s h o w s t h a tt h ea d d i t i o no f C a O r e s u l t si nt h ei n c r e a s i n go f p o r o s i t y a n d t h ed e c r e

11、 a s i n g o f d e n s i t y , w h i c h l e a d t ot h el o w e r c o n d u c t i v i t y ；t h ea d d i t i o n o fS r O r e s u l t si np r o m o t i n g t h eg r o w t ho fg r a i ns i z ec o n t r i b u t i n gt ot h

12、 es i n t e r i n go f s a m p l e ，b u tt h ed i s t r i b u t i o no f g r a i n s i z ei sn o n u n i f o r m ．T h es a m p l eo fC e 0 ．s N d o ．1 M g o ．1 0 2 ．6h a st h es m a l l e s tg r a i nb o u n d a r yr e s

13、 i s t a n c e ，t o t a lr e s i s t a n c ea n dr e l a t i v es m a l lt o t a l c o n d u c t a n c e a c t i v a t i o n e n e r g y , w h i c hm a k ei t h a v et h e l a r g e s te l e c t r i c a lc o n d u c t i

14、v i t y ．( 3 ) T h es a m p l e so f C e 0 ．8 N d o ．1 M g o ．1 0 2 ．6 一S i + x M O p r e s e n tc u b i cf l u o r i t es t r u c t u r e ．T h et e s to f F E ·S E Ms h o w s t h a tt h ea d d i t i o no f Z n O o

15、rF e 2 0 3c a n p r o m o t et h eg r o w t ho f g r a i na n d d e n s i t y , w h i c h m a k e t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e d e c r e a s e 。T h e s a m p l e o fC e o ．s N d o ．1 M g o ．] 0 2 4 - S i

16、h a s t h es m a l l e s tg r a i n b o u n d a r yc o n d u c t i v i t y a n d t o t a lc o n d u c t i v i t y ．T h e a d d i t i o no fZ n O o rF e 2 0 3C a l lr e m o v e o ri n h i b i tt h ei m p u r i t yo fs i l

17、 i c o ni nt h eg r a i nb o u n d a r y , w h i c hc a ni m p r o v et h e g r a i n b o u n d a r yc o n d u c t i v i t y e f f e c t i v e l y , w h i c h c a ni n c r e a s e t h e t o t a l c o n d u c t i v i t y