金属氧化物掺杂对Ce0.9Gd0.1O1.95结构和电性能的影响

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有直接转化储存在燃料中能量的功能,即它能将化学能直接转化为电能,并且它能够对能源有极高的利用率,对环境的污染少,被誉为十九世纪以后的绿色发电技术。在中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）电解质材料中,掺杂CeO2基电解质被视为是最有发展前途的。但其要想获得足够高的致密度,必须将材料通过高于1500-1600℃的高温烧结,想要提高Ce02基电解质材料的致密度、改善其烧结性能,可以通过加入合适的金属氧化物作为体系的烧结助剂。除此之外,在陶瓷工艺中普遍存在着一种SiO2杂质,这种杂质在烧结过程中常常会偏析到晶界处,使晶界移动及质量扩散受到阻碍,晶界电阻增大,进而使多晶电解质材料的电导率降低,这种杂质对材料的有害影响即使是在高纯度的材料中也是很难避免的。所以,加入晶界清除剂,降低由SiO2杂质引起的晶界效应,进而提高总离子电导率已成为近年来的研究重点。本文以Gd2O3掺杂CeO2（CGO）为研究体系,金属氧化物作为烧结助剂和晶界改善剂。讨论烧结温度和掺杂不同金属氧化物对高纯及非纯CGO体系结构与电性能的影响,进而确定最佳烧结助剂和最佳晶界清除剂。本论文的主要研究内容如下：采用溶胶-凝胶法制备Ce0.9Gd0.101.95+1at.%金属氧化物（CuO、Co2O3、Fe2O3、 MnO2、CaO、MgO）高纯和Ce0.9Gd0.1O1.95+1at.%金属氧化物+3000ppm SiO2非纯固溶体。氧化物的结构通过X-射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）来表征,电能性能通过交流阻抗谱测试。结果表明：（1）在高纯的CGO体系中,1200℃烧结6h后均得到了比较致密的样品；掺杂MnO2、CaO和MgO样品的电导率明显提高,均起到了烧结助剂的作用；其中掺杂MgO样品的电导率最高,在600℃时总电导率达到了3.185S.m-1。（2）在非纯CGO体系中,1200℃烧结6h后均得到了比较致密的样品；掺杂Fe2O3、CuO和CaO的样品的电导率均比高纯体系的有所提高,起到了晶界清除剂的作用；在非纯CGO体系中,CaO具有助烧结剂和晶界改善剂的双重作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述
• 1.3 SOFC的关键材料
• 2基氧离子导体'>1.4 CeO₂基氧离子导体
• 1.5 SOFC的现状与发展
• 1.6 本论文的选题背景和主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验用主要化学试剂
• 2.2 主要仪器设备
• 2.3 材料制备
• 2.4 材料的结构表征与性能测试
• 0.9Gd_0.1O_1.95+lat.%金属氧化物的合成、结构与电性能'>第三章 Ce_0.9Gd_0.1O_1.95+lat.%金属氧化物的合成、结构与电性能
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 0.9Gd_0.1O_1.95+lat.%金属氧化物+3000ppm SiO₂的合成、结构与导电性能'>第四章 Ce_0.9Gd_0.1O_1.95+lat.%金属氧化物+3000ppm SiO₂的合成、结构与导电性能
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 CGO体系晶界效应的研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 清除机理研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读硕士学位期间研究成果