质子导体制备、性能研究及在氢传感器中的应用

论文摘要

钙钛矿型高温质子导体在氢分离、燃料电池、膜反应器及氢传感器等方面具有广泛的应用前景,引起了人们的普遍关注。系统地研究了高温质子导体的烧结、化学稳定性和电性能,并结合质子-电子混合导体制备了新型致密扩散障碍层极限电流型氢传感器。应用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、交流阻抗谱（EIS）等手段对高温质子导体物相结构、微观形貌和导电性能进行了研究,测试了其在CO2和沸水中的化学稳定性,对氢传感器进行了氢敏性能研究。研究了不同烧结温度、掺杂离子、掺杂量对BaCeO3-BaZrO3高温质子导体的结构和性能的影响。1600℃烧结的质子导体为致密、单相钙钛矿结构,此温度烧结试样具有最高的电导率。掺杂的离子与Ce4+相匹配,对电导率有利,而与Zr4+相匹配,对化学稳定性有利。Y3+掺杂量为0.20mol时,体系电导率最高,活化能最低,与红外光谱数据一致,800℃电导率达2.07×10-2S·cm-1,活化能为72.34 kJ·mol-1。掺杂的BaCeO3-BaZrO3高温质子导体与BaCe0.90Y0.10O3-δ化学稳定性相比,对CO2和沸水的稳定性均有显著提高,证明Zr4+的引入增加了体系的稳定性,与热力学计算结果一致。不同气氛（Air, 4%H2, Ar）对SrCe0.95Tm0.05O3-δ质子-电子混合导体晶粒电导和活化能影响较小,而对晶界和总电导率有较显著影响。混合导体中的电子导电主要由于电荷在不同价态铥离子间迁移而引起的。极限电流型氢传感器致密扩散障碍层与质子导体结合良好,界面清晰,在氢浓度小于17700ppm,温度600800℃内,具有较理想的极限电流平台。氢浓度与极限电流线性关系良好,灵敏度随温度的增加而增加,800℃其灵敏度达1.30μA·ppm-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 钙钛矿型高温质子导体
• 1.1.1 高温质子导体的发展近况
• 1.1.2 高温质子导体的结构及传导机理
• 1.1.3 高温质子导体的化学稳定性
• 1.1.4 高温质子导体的应用
• 1.2 高温透氢膜
• 1.2.1 Pd 及其合金透氢膜
• 1.2.2 质子-电子混合导体透氢膜
• 1.3 电化学氢传感器
• 1.3.1 极限电流型氢传感器的原理
• 1.3.2 极限电流型氢传感器的分类
• 1.4 研究目标和内容
• 0.45ZR_0.45M_0.1O_3-Δ（M=IN, Y, GD, SM）制备及性能研究'>2 BACE_0.45ZR_0.45M_0.1O_3-Δ（M=IN, Y, GD, SM）制备及性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂和仪器
• 2.1.2 样品的制备
• 2.1.3 样品的表征
• 2.1.4 样品的稳定性试验
• 2.1.5 电性能的测定
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 物相结构分析
• 2.2.2 线收缩率及相对密度计算
• 2.2.3 微观结构分析
• 2.2.4 化学稳定性测试
• 2.2.5 交流阻抗谱测量
• 2.2.6 电导率及活化能计算
• 2.3 小结
• 0.5ZR_0.5)_1-XY_XO3-Δ（0.05≤X≤0.30）制备及性能研究'>3 BA(CE_0.5ZR_0.5)_1-XY_XO3-Δ（0.05≤X≤0.30）制备及性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 物相结构分析
• 3.2.2 化学稳定性测试
• 3.2.3 微观结构分析
• 3.2.4 红外光谱分析
• 3.2.5 交流阻抗谱测量
• 3.2.6 电导率及活化能计算
• 3.3 小结
• 4 质子-电子混合导体的制备及性能研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 样品的制备
• 4.1.2 样品的表征
• 4.1.3 电性能的测定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 物相结构分析
• 4.2.2 微观结构分析
• 4.2.3 交流阻抗谱测量
• 4.2.4 电导率及活化能计算
• 4.3 小结
• 5 极限电流型氢传感器的研制
• 5.1 氢传感器的制备
• 5.2 氢传感器微观结构表征
• 5.3 氢敏性能测试
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集