ABO3（A=La，Ba；B=Ga，Ce）型陶瓷的合成、导电性及其应用

论文摘要

以质子为电荷载流子的固体电解质是一类重要的功能材料,在固体氧化物燃料电池,氢传感器,氢的电解制备、分离和提纯,有机物的催化氢化和脱氢,核聚变反应堆废气中的氢同位素气体的回收,常压合成氨等方面具有十分重要的应用价值和广阔的应用前景。因此,进行质子导电陶瓷材料的制备、质子导电性及其应用研究具有重要意义。众所周知,SrO和MgO掺杂的LaGaO3陶瓷具有优良的氧离子导电性能,它在800℃时的氧离子电导率与钇稳定化二氧化锆（YSZ）1000℃时的氧离子电导率相当,且在很宽的氧分压范围（1-10-20atm）内几乎是纯的氧离子导体,被广泛视为最有希望的中温固体氧化物燃料电池（SOFC）的候选电解质材料之一。但其质子导电性长期以来被人们所忽视。最近我们课题组发现La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3–α在600-1000℃下氢气气氛中具有很好的质子导电性;此外,还发现在Ga位掺杂与Mg2+半径几乎相同但离子构型不同的Zn2+的La（Sr）Ga（Zn）O3陶瓷也具有良好的质子导电性。BaO和MgO掺杂的LaGaO3陶瓷是LaGaO3基陶瓷家族的另一重要系列,但其是否具有质子导电性至今未见报道。此外,BaCeO3基陶瓷的高温（600-1000℃）质子导电性已有大量的研究报道,但其中温（300-600℃）质子导电性的研究报道很少见,尤其是尚未见到Gd掺杂BaCeO3陶瓷的中温质子导电性的研究报道。为此,本论文研究了BaO和MgO掺杂的LaGaO3陶瓷的离子导电性,着重研究了其质子导电性;此外,还研究了Gd掺杂BaCeO3陶瓷的中温质子导电性。本论文的主要研究工作及结果如下:（1）采用传统固相反应法制备La0.90Ba0.10Ga1–xMgxO3–α（x = 0.20, 0.25, 0.30）系列陶瓷样品,采用同位素效应、电化学氢泵、水蒸汽浓差电池、氢浓差电池和氧浓差电池等多种电化学方法研究了样品在湿润氢气、湿润空气和干燥空气中600-1000℃时的导电性。研究发现样品在湿润的氢气中几乎是纯的质子导体;在湿润的空气中是质子、氧离子和空穴的混合导体;在干燥的空气中是氧离子和电子空穴的混合导体。这些结论不同以往报道的BaO和MgO掺杂的LaGaO3陶瓷在氧气和空气中是氧离子和电子空穴的混合导体;在氢气和氮气中是氧离子导体。（2）用传统固相法制备La0.9Ba0.1Ga1-xMgxO3–α （ 0≤x≤0.25）陶瓷样品的烧结温度较高,且x<0.2的样品存在杂相。为了降低烧结温度和消除或减少杂相,采用一种湿化学方法微乳液法制备了样品的粉体。结果表明x≥0.15的陶瓷粉体在较低的温度1410-1430℃下烧结10 h形成单一的LaGaO3斜方晶钙钛矿结构。电化学氢泵实验证实了样品在氢气气氛中具有质子导电性。测量了样品在400-800℃氢气中的质子电导率,在该系列样品中,x=0.2的样品具有最高的质子电导率,600℃时的质子电导率为0.01 S cm-1。在以La0.9Ba0.1Ga0.8Mg0.2O3–α为电解质的电解池中成功地进行了常压合成氨。在520℃、1 mA下常压合成氨的产率为1.89×10-9 mol s-1cm-2。（3）为了比较La位掺杂不同的的碱土金属离子对LaGaO3基陶瓷质子导电性的影响,采用水热沉淀法制备了La0.9M0.1Ga0.8Mg0.2O3–α (M = Ca2+, Sr2+, Ba2+)系列陶瓷样品的粉体,沉淀剂来自尿素在水热条件下的水解产物。煅烧后的陶瓷粉体在较低的温度下烧结得陶瓷样品。XRD显示样品具有单一的斜方晶LaGaO3钙钛矿结构。同位素效应和氢的电化学透过（氢泵）实验证明陶瓷样品具有质子导电性。测量了样品在300-600℃、氢气气氛中的质子电导率,其大小取决于La位掺杂的碱土金属离子:σ（M = Sr2+）>σ（M = Ba2+）>σ（M = Ca2+）。以La0.9M0.1Ga0.8Mg0.2O3–α为固体电解质进行常压合成氨,合成氨产率的大小次序与电导率的一致。（4）Gd掺杂的BaCeO3基陶瓷是一传统的质子导体,对其质子导电性的研究主要是高温（600-1000℃）质子导电性,而它的中温（300-600℃）质子导电性还未见报道。此外,用高温固相法制备BaCeO3陶瓷的烧结温度通常高达1650℃左右。本文采用微乳液法合成了BaCe1?xGdxO3–α（?0.05≤x≤0.20）陶瓷样品的粉体,在较低温度1500℃烧结下形成单一的BaCeO3斜方晶钙钛矿结构。通过电化学氢泵和AC交流阻抗谱法研究陶瓷样品在氢气气氛中300-600℃间的质子导电性。研究发现,样品在300-600℃氢气气氛中几乎为纯的质子导体,其中,x=0.15的陶瓷样品具有最高质子电导率,在600℃时质子电导率为0.014 S cm-1。在以BaCe0.85Gd0.15O3–α陶瓷膜（厚度:90μm）为电解质的电解池中进行常压合成氨,在480℃,1.5 mA下合成氨的产率为4.63×10-9 mol s-1cm-2。（5）以Ni-BaCe0.9Gd0.1O3–α为阳极,Sm0.5Sr0.5CoO3–α为阴极,以新型质子交换膜PIL基导电膜为电解质成功地进行了常压合成氨。在100℃、1.5 mA下合成氨的产率为3.2×10-9 mol s-1cm-2。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 固体电解质
• §1-2 无机质子导体的类型
• 3钙钛矿型氧化物质子导体'>§1-3 ABO₃钙钛矿型氧化物质子导体
• 3基陶瓷电解质的概况'>§1-4 LaGaO₃基陶瓷电解质的概况
• §1-5 本课题研究内容和意义
• 3基陶瓷的导电性研究'>第二章 BaO 和MgO 掺杂的LaGaO₃基陶瓷的导电性研究
• §2-1 引言
• §2-2 实验部分
• §2-3 结果与讨论
• §2-4 小结
• 0.9Ba_0.1Ga_1-xMg)xO_3-α制备、质子导电性及其在常压合成氨中的应用'>第三章 La_0.9Ba_0.1Ga_1-xMg)xO_3-α制备、质子导电性及其在常压合成氨中的应用
• §3-1 引言
• §3-2 实验部分
• §3-3 结果与讨论
• §3-4 小结
• 0.9M_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-α中温质子导电性及其在常压合成氨中的应用'>第四章 La_0.9M_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-α中温质子导电性及其在常压合成氨中的应用
• §4-1 引言
• §4-2 实验部分
• §4-3 结果与讨论
• §4-4 小结
• 1-xGd_xO_3-α中温质子导电性及其在常压合成氨中的应用'>第五章 BaCe_1-xGd_xO_3-α中温质子导电性及其在常压合成氨中的应用
• §5-1 引言
• §5-2 实验部分
• §5-3 结果与讨论
• §5-4 小结
• 第六章 基于陶瓷电极的质子交换膜在低温常压合成氨中的应用
• §6-1 引言
• §6-2 实验部分
• §6-3 结果与讨论
• §6-4 小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢