BaCe1-x-yZrxSmyO3-a的合成、導(dǎo)電性及應(yīng)用.pdf

1、BaCeO3基導(dǎo)電陶瓷材料因其具有特殊的質(zhì)子導(dǎo)電功能,在固體氧化物燃料電池(SOFC)、氣體傳感器、有機(jī)物的氫化和脫氫、常壓合成氨、氫的電解制備、分離和提純等能源變換及薄膜反應(yīng)器方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。摻雜BaCeO3導(dǎo)電陶瓷材料是迄今為止報(bào)道的質(zhì)子電導(dǎo)率最高的陶瓷材料之一。但是,這類材料在CO2或H2O的氣氛中,化學(xué)穩(wěn)定性較差,因而限制了其在燃料電池等方面的應(yīng)用。相比于BaCeO3基導(dǎo)電陶瓷材料,BaZrO3基陶瓷材料

2、雖然質(zhì)子電導(dǎo)率較低,但是卻具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。為了得到化學(xué)穩(wěn)定性好且電導(dǎo)率高的BaCeO3基陶瓷材料,目前BaCeO3與BaZrO3基復(fù)合陶瓷材料的制備成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在稀土金屬離子摻雜的BaCeO3陶瓷中,Sm3+摻雜BaCeO3陶瓷具有較高的電導(dǎo)率。但關(guān)于Zr4+、Sm3+雙摻雜BaCeO3陶瓷的研究報(bào)道極少。此外,采用傳統(tǒng)的高溫固相法合成樣品,燒結(jié)溫度須高達(dá)1650℃以上才能得到致密陶瓷樣品。為此,本論文采用改進(jìn)

3、的共沉淀法合成了BaCe1-x-yZrxSmyO3-α(x=0.10,y=0.10,0.15,0.20；x=0.10,0.15,0.20,0.30,y=0.10)系列陶瓷樣品,并對(duì)其化學(xué)穩(wěn)定性、中溫(300～800℃)導(dǎo)電性及常壓合成氨進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 ⑴采用改進(jìn)的共沉淀法合成了BaCe1-x-yZrxSmyO3-α(x=0.10,y=0.10,0.15,0.20；x=0.10,0.15,0.20,0.30,

4、y=0.10)系列陶瓷樣品的前驅(qū)體,經(jīng)1150～1200℃下煅燒及1550℃下燒結(jié)得到了致密單相陶瓷樣品。與傳統(tǒng)的高溫固相反應(yīng)法的煅燒溫度(1250℃)和燒結(jié)溫度(1650℃)相比,分別降低了50～100℃,100℃。
　　 ⑵測(cè)定了BaCe0-9-xZrxSm0.10O3-α(X=0.10,0.15,0.20,0.30)系列陶瓷樣品在混合氣氛(3％CO2+3％H2O+94％N2)中的化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明：化學(xué)穩(wěn)定性隨著Zr4+

5、含量的增加而增強(qiáng),其中x≥0.20的陶瓷樣品在此氣氛中未見碳酸鹽生成,具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。
　　 ⑶摻雜量對(duì)樣品電導(dǎo)率有著顯著影響。在BaCe0.90-yZr0.10SmyO3-α(y=0.10,0.15,0.20)系列陶瓷樣品中,保持Zr4+含量不變,改變Sm3+含量,在300～800℃下濕潤(rùn)空氣氣氛中,Sm3+摻雜量為0.10的樣品具有最高的電導(dǎo)率。在BaCe0.90-xZrxSm0.10O3-α(x=0.10,0.15,

6、0.20,0.30)系列陶瓷樣品中,保持Sm3+含量不變,改變Zr4+含量,在上述條件下,電導(dǎo)率隨著Zr4+摻雜量的增加而降低。比較各樣品的穩(wěn)定性與電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn),BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α樣品既具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性又具有較高的電導(dǎo)率。
　　 ⑷采用氫濃差電池、濕潤(rùn)氧濃差電池、水蒸氣濃差電池、電化學(xué)氫分子透過(guò)(氫泵)等電化學(xué)方法測(cè)定了BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α典型陶瓷樣品在500～800℃

7、下、濕潤(rùn)氫氣或空氣氣氛中不同電荷載流子(離子、質(zhì)子、氧離子、電子)的遷移數(shù)(500～800℃)。研究發(fā)現(xiàn),BaCe0.70Zr0.20Sm0.10O3-α樣品在500～800℃下、氫氣氣氛中幾乎為純的離子導(dǎo)體,且質(zhì)子導(dǎo)電占主導(dǎo)地位,同時(shí)存在少量的氧離子和電子空穴導(dǎo)電；在濕潤(rùn)空氣氣氛中,樣品是氧離子、質(zhì)子與電子空穴的混合導(dǎo)體,隨著溫度升高質(zhì)子遷移數(shù)降低,而氧離子遷移數(shù)升高。
　　 ⑸成功地將BaCe0.70Zr0.20Sm0.10