钙钛矿型锆酸钡/锆铈酸钡基质子导体的制备及性能研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wentoume
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受主掺杂的BaZrO3、BaCeO3或Ba(ZrCe)O3基固态电解质是一种具有钙钛矿型结构的质子导体,它们是固体氧化物燃料电池用电解质隔膜的重要候选材料。针对BaZrO3基质子导体的烧结性差,离子电导率不高;BaCeO3基质子导体的化学稳定性及烧结性差等问题。本文通过添加第二相(ZrO20.92(Y2O30.08(YSZ)、烧结助剂ZnO、钠盐NaCl/Na2CO3对BaZrO3基和BaCeO3基质子导体的烧结性和电导率进行改性,以期获得性能优异的陶瓷。首先采用机械球磨混合结合高温常压烧结制备BaZr0.8Y0.2O3-δ/YSZ(BZY/YSZ)复相陶瓷,通过在BZY中加入YSZ,以期优化BZY的烧结性能和电导率。通过研究BZY-YSZ陶瓷,XRD显示其存在BZY相和YSZ相。HR-TEM显示BZY/YSZ晶界面上不存在杂质相。YSZ的添加大大提高了BZY-YSZ陶瓷的烧结性能。当BZY-50%YSZ复相陶瓷在1450°C烧结保温6 h时,其相对密度和线收缩率是最佳的,分别达到98.17%和17.26%,其晶粒尺寸约为1.5μm。700°C时,BZY-50%YSZ复相陶瓷在干燥空气和湿润空气中的电导率分别为1.95×10-4 S/cm和1.67×10-4 S/cm。其次通过添加烧结助剂ZnO和钠盐NaCl/Na2CO3来改善BZY陶瓷的烧结性能和电导率。采用了相同的方法制备了BZY-ZnO-NaCl/Na2CO3陶瓷。当烧结工艺为1450°C保温6 h且ZnO的添加量达到2 mol%时,BZY-2%ZnO陶瓷的致密度和线收缩率分别为95.25%和16.76%,其晶粒尺寸大小约0.8μm1μm。当烧结工艺为1400°C保温4 h且NaCl和Na2CO3的添加量分别为5 mol%时,BZY-2%ZnO-5%NaCl烧结陶瓷和BZY-2%ZnO-5%Na2CO3烧结陶瓷的致密度分别为96.71%和97.47%,线收缩率分别为17.89%和19.78%。在湿润空气中,700°C时BZY-2%ZnO-10%Na2CO3陶瓷的电导率为3.124×10-3 S/cm,而未添加NaCl和Na2CO3的BZY-2%ZnO陶瓷的电导率为1.292×10-3 S/cm。添加NaCl和Na2CO3可以提高BZY-2%ZnO陶瓷的烧结性能和电导率。此外采用相同的方法制备了Y、Sc共掺杂的BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xScxO3-δ陶瓷,XRD分析显示BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xScxO3-δ陶瓷为单相;当烧结工艺为1450°C烧结保温6 h时,BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ陶瓷的致密度和线收缩率最优,分别为94.89%和12.56%,其晶粒尺寸大小为1.5μm3μm;700°C时,BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ和BaZr0.1Ce0.7Y0.1Sc0.1O3-δ的总电导率分别为1.34×10-2 S/cm和7.68×10-3 S/cm,其电导激活能分别为0.64 eV和0.50 eV。最后以BaZr0.1Ce0.7Y0.1Sc0.1O3-δ(BZCYSc)陶瓷为研究对象,通过添加烧结助剂ZnO和无机盐Na2CO3,研究了ZnO和Na2CO3复合添加对BZCYSc陶瓷烧结性能和电导率的影响。XRD显示所有烧结样品均为单相。当加入2 mol%ZnO后,陶瓷的烧结温度可降至1300°C。添加5 mol%Na2CO3后的BZCYSc-ZnO陶瓷的晶粒尺寸约为2.5μm5μm。当T<450°C时,Na2CO3/ZnO复合添加提高了BZCYSc-2%ZnO陶瓷的电导率。300°C时,BZCYSc-2%ZnO-10%Na2CO3和BZCYSc的总电导率分别为6.83×10-5 S/cm和1.72×10-5 S/cm;而700°C时,BZCYSc-2%ZnO-5%Na2CO3和BZCYSc的电导率分别为4.12×10-33 S/cm和6.51×10-33 S/cm。
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