硅位掺杂磷灰石型硅酸镧电解质材料的制备与性能研究

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作为一种新型固体电解质材料,La9.33(SiO4)6O2(以下简称LSO)因其特殊的p63/m磷灰石型晶体结构,在中低温下表现出较高的离子电导率和较低的活化能,具有应用于固体氧化物燃料电池的潜力。一系列研究表明,从制备工艺开发和掺杂改性两个方面展开研究,是提高LSO的电导性能的有效途径。本文采用尿素-硝酸盐燃烧法,选用Al、Ti、V作为掺杂元素,实现了硅位掺杂磷灰石型La9.33Si6-xMxO26+0.5x(以下简称LSMO)(M=Al、Ti、V;x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)电解质材料的中低温合成。与传统制备方法相比,有效降低了合成温度,缩短了制备时间。通过XRD、XPS、EDS、IR等测试表征手段对LSMO粉体的物相、成分、结构进行了综合分析,结果表明:燃烧合成的无定形电解质粉体,在800℃煅烧12h后,即具有典型的p63/m磷灰石型晶体结构,且结晶度较高;掺杂元素Al、Ti、V取代Si掺杂进入了LSO的晶格中,并没有影响其磷灰石型晶体结构。研究了不同烧结温度对LSMO烧结体的线收缩率和致密度的影响,并结合烧结体的微观形貌分析,确定了Al、Ti、V掺杂的LSMO电解质的最佳烧结温度分别为1500℃、1500℃、1450℃。运用交流阻抗谱法测试了LSMO烧结体的电导率,通过电导率的分析研究得出:①LSMO烧结体的电导率与温度的关系符合Arrhenius经验公式;②在相同的温度测试条件下,在掺杂量处0.5-2.0范围内,高价V5+离子掺杂比低价Al3+离子掺杂更能提高LSMO的氧离子电导率,实现结果表明V掺杂量为1.0的LSMO(La9.33Si5VO26.5),在800℃测试温度下电导率可达最高值1.46×10-2S·cm-1;③等价离子Ti4+取代Si4+掺杂对改善电导性能的贡献最小,甚至起到了降低电导率的反效果;④当LSMO的掺杂量过大时,以上三种离子掺杂后的电导率均表现出不同幅度的下降。在间隙氧传导机制的基础上,通过建立“间隙氧”以及“缺陷叠合中心”点缺陷模型,初步探讨了硅位掺杂La9.33Si6-xMxO26+0.5x的电导增强机理,提出了间隙氧浓度正增强效应和空间电导增强效应。
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