Ba0.9Y0.1O2.95_NaCl复相质子导体的性能研究_硕士毕业论文
发布时间：2014-10-24
来源：人大经济论坛
引言
目前质子导体氧化物[1]电解质燃料电池的商业化发展还面临着巨大的挑战，原因主要在于合适材料的匮乏以及成本问题。具有钙钛矿结构[2]的质子导体以其较高的电导率和质子迁移数以及较低的电导活化能，成为中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）电解质主要候选材料之一。根据大量学者的文献报道，目前BaZrO3 和BaCeO3 是最有前途的质子导体材料，但这两种材料单独使用时，却存在着高稳定性和高电导率无法一致的问题。BaCeO3 基[3-5]材料具有较高的电导率，但是在水和二氧化碳下稳定性较差。而BaZrO3 基材料对CO2 和水都具有较高的抵抗力[5-7]，但是其烧结性能较差，需要在较高的温度下才能烧结致密，并且其较高的晶界电阻也大大降低了电导率。
复相结构体系就是在晶界引入具有质子导电性的无机盐[8-13]，通过复合和烧成控制，使其均匀分布以改善晶界特性，在工作温度下盐类物质转变为超离子相[14]，提高质子迁移速度，增强界面质子传导，使材料质子电导率得到提高。
1 实验
按化学计量比 1:0.63:0.27:0.05 称取BaCO3(99.5%)、ZrO2(99.5%)、CeO2（99.5%）和Y2O3（99.95%）。以无水乙醇为介质，球磨8h。混合物经干燥、研磨、过筛，在高温炉内1300℃煅烧4h 得到Ba(Zr0.7Ce0.3)0.9Y0.1O2.95（BZCY10）粉末。
然后在BZCY10 煅烧粉料中加入2mol%ZnO[15-16]，球磨8h，经干燥、研磨、过筛后得到BZCY10-Z 粉料，再次将5mol%、10mol%和20mol%的NaCl 分别加入BZCY10-Z 中，采用相同的混料方式，得到BZCY10-Z-N 粉末。
将BZCY10、BZCY10-Z 和BZCY10-Z-N 粉料采用双轴加压结合冷等静压的方法成型为Φ11mm×2mm 的小圆柱形试样，分别于高温炉内采用1600℃/4h、1450℃/6h 和1400℃/6h的制度进行烧结。烧结后的试样经打磨后进行各项性能测试。
采用荷兰PHILIPS 公司XL-30ESEM 型环境扫描电镜，对试样的断口以及表面进行显微观察。
将试样两面打磨平整后，均匀的涂覆一层Pt 浆，再在煅烧炉内800℃下焙烧1h。通过自制的实验装置将银丝与铂电极紧密接触，并与上海CHI660C 型电化学工作站连接，组成H2,Pt?电解质?Pt，H2 的结构。电导率的测试温度为600~800℃，测试间隔为50℃。根据测试数据，计算出质子导体的电导率以及电导活化能。
2 结果与讨论
2.1 微观结构
为BZCY10、BZCY10-Z 和BZCY10-Z-N 三种试样经烧结后的断面形貌。从图中可以看出，从左到右，试样的颗粒逐渐增大，分布逐渐不均匀。（a）中有明显的气孔存在，但晶界较明显，颗粒大小较均匀（b）中颗粒排列紧密，未发现明显的气孔存在，说明材料烧结较致密，同时颗粒增大，能看到明显的晶界；（c）中添加NaCl 后，可以看到些许气孔存在，说明第二相物质的加入对材料的烧结性能产生了影响。这可能是由于添加无机盐后材料的烧结温度降低，并且可能还伴随少许无机盐的挥发，导致了材料气孔率的出现。并且，复相材料晶粒之间的界面变得很模糊，这可能是晶粒被高温熔融态的NaCl 所包围的结果。
2.2 电导率测试
2.2.1 添加不同摩尔NaCl 对电导率的影响
从可以看出，复相材料在湿氢气气氛中的电导率基本遵循Arrhenius 曲线规律，即电导率随温度的升高而增大，呈现典型的离子导电特征。而且图中曲线表明，在1400℃，保温6h 条件下制备的复相质子导体，当添加10mol%NaCl 时具有较高的电导率，达到1.26×10-2S/cm，电导率随NaCl 添加量呈先增大后减小的趋势。
2.2.2 BZCY10、BZCY10-Z 和BZCY10-Z-N10 电导率对比
示出了BZCY10、BZCY10-Z 和BZCY10-Z-N10 三个试样的电导率变化曲线。 600℃时三个试样的电导率值相差甚小，但650℃之后，BZCY10-Z-N10 的电导率均超过其他两个，800℃，BZCY10-Z-N10 试样的电导率比BZCY10 的电导率提高了近0.6 个数量级。三种试样电导率的大小关系为BZCY10-Z-N10?BZCY10-Z?BZCY10。基本达到了掺杂改性的目的，使得改性后材料的导电性能得到提高。
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