La9.33Si6O26陶瓷电解质的熔盐法制备及其导电性研究

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在追求环境保护和能源高效的今天,固体氧化物燃料电池已经成为研究的热点,但高温运行成为制约它使用普遍化的一个最大问题。因此,研究SOFC的中低温电解质成为SOFC实用化不可缺少的一部分。本文在这种背景下开展了对新型氧离子导体La9.33Si6O26磷灰石类电解质的研究,包括其合成方法的优化、导电机理的分析和掺杂取代的理论建议。La9.33Si6O26陶瓷电解质是氧基磷灰石材料的典型代表,由于它在中低温范围表现出较高电导率,并在较宽氧分压范围内具有稳定的氧离子迁移数,因此成为了SOFC中低温电解质材料的新选择。为了降低La9.33Si6O26前驱粉体传统合成的预烧温度,改进其粉体性能,为后期的电解质合成打好基础,本文首次尝试熔盐法合成La9.33Si6O26粉体,分别讨论了熔盐比例、预烧温度和烧结温度等实验参数对样品合成的影响,并与固相合成的样品比较。结果证明熔盐法合成La9.33Si6O26粉体的实验是可行的,克服了传统合成反应不均匀、颗粒容易团聚等缺点,但是其合成条件中同时存在熔盐比例阈值和预烧温度阈值。此外,烧结温度的提高对后期合成陶瓷电解质的致密度、晶粒饱满度及导电性能改进能起到积极作用。因为La9.33Si6O26陶瓷电解质中同时存在两种氧离子载体:自由氧O(4)和间隙氧O(5),性能较好的氧基磷灰石导体中O(5)的数量较多。所以本文后期深入分析La9.33Si6O26电解质的阻抗谱,从阻抗响应、振动模式及激活能三个方面研究其导电机制,并结合Maxwell模型、Beekmans-Heyne模型、两相陶瓷捷径模型和有效介质模型的理论基础建立La9.33Si6O26电解质的微观模型和等效电路。如何制备出性能更好的氧基磷灰石电解质是此项研究的最终目的,因此论文的最后部分对La9.33Si6O26电解质的La位掺杂取代进行了理论分析,为今后氧基磷灰石材料的性能改进提供新的研究思路和理论建议。本文从微观到宏观、从合成到性能、从实验到理论,对La9.33Si6O26电解质进行了较为全面的分析讨论,基本达到了预期的实验项目目标。
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