掺杂优化中低温氧化铈基电解质烧结活性及电性能

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伴随着日益严峻的环境和能源危机,环境友好型、高效率发电装置备受关注。燃料电池通过氢氧化学反应产生电流,反应过程可以缓慢可控,能量转换效率远高于传统内燃机,不会对环境造成危害。目前传统SOFC工作温度较高(约1000℃),高温工作给SOFC体系带来极大的挑战,严峻考验电极电解质的耐高温性能和热匹配系数。本文通过添加烧结助剂优化常用的电解质用于制备中温SOFC。  本文第三章采用室温固相法制备了SDC(Sm0.16Ce0.84O1.92)和ZDC(ZnxCe1-xO2-x)电解质粉体,SDC分别在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃下烧结,并通过XRD、EIS等测试手段进行探究,探索新型固相法制备所得粉体的性质,总结SDC烧结机理,不同烧结温度下得到烧结粉体XRD均表现出纯净立方萤石结构,无杂峰出现。1300℃下烧结SDC电导率大小呈现出先升高后减小的趋势,1400℃、1500℃烧结样品电导率变化不显著。ZDC粉体电导率较差,纯ZnO掺杂对氧化铈材料电性能无明显提升,然而电导率随掺杂离子浓度变化趋势与SDC相仿,观察烧结体截面微观形貌发现,氧化锌助烧结效果显著,此章节对后面两章的引出起到重要参考作用。  第四章探究了ZnO对SDC粉体的烧结活性及电导率的影响,ZnO少量掺杂(1 mol%-4mol%)粉体衍射图谱表达出纯净单相立方萤石相结构,ZnO能够较好的固溶到SDC晶格中,烧结助剂有效提高了SDC电解质烧结活性,烧结温度降低。同时电解质电导率值表现为先增高再下降的变化过程。文献中800℃下煅烧未掺杂SDC要想烧结致密,达到95%致密度,烧结需要温度1400℃。而SDC掺杂2mol%至4mol%的ZnO电解质在1200℃下即可烧结达到95%以上致密度。1300℃烧结SDC电导率在ZnO掺杂量为2mol%时达到最大,800℃下测得为0.055Scm-1。  第五章通过室温固相法制备了ZnO、Gd2O3共掺杂氧化铈基电解质ZnxGd0.1Ce0.9-xO1.95-x(ZGDC),1150℃和1200℃下烧结发现电解质陶瓷致密度随着ZnO浓度增加从82%提高至94%,并在x=0.04时达到最高,之后随之降低。同时,GDC电导率呈现出与致密度相同的规律,晶粒晶界电阻受掺杂离子浓度和烧结温度影响显著,最终ZGDC04样品获得相对最高的电导率。由于ZnO掺杂量有限,ZGDC材料的氧离子传输能力主要决定于样品致密度。
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