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2000年,Lacorre课题组报道了一种新型的氧离子导体钼酸镧(La2Mo2O9),即使不掺杂低价金属阳离子,其晶格内部也具有相当数量的本征氧空位,而且在同等条件下具有高于氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)的离子电导率,这引起人们极大的兴趣。但其在580℃左右存在高温立方相与低温单斜相的转变,并导致电导率的突变,使其在实际应用中受到很大限制。
近年来,大量研究工作集中在La2Mo2O9不同位置进行掺杂来抑制相变的发生及提高电导率。但至今尚未见到关于Sr2+,Ga3+双掺杂La2Mo2O9的报道,而且也未见到关于La2Mo2O9基电解质的质子导电性的报道。
本文通过固相反应法合成了(La0.95Sr0.05)2(Mo1-yGay)2O9-α(y=0,0.01,0.03,0.05)系列陶瓷样品,分别对样品进行了XRD、SEM表征。以该系列样品为固体电解质、多孔性铂为电极,采用交流阻抗谱、气体浓差电池等方法研究了各样品在550～1000℃下不同气氛中的导电特性。结果表明:所有样品均为立方相La2Mo2O9结构,Ga3+在(La0.95Sr0.05)2(Mo1-yGay)2O9-α中的掺杂限度在0.03和0.05之间；干燥氧浓差电池电动势的实测值与理论值吻合得很好,氧离子迁移数几乎为1,表明样品在测试温度下、干燥含氧气氛中几乎为纯的氧离子导体；湿润氧浓差以及水蒸气浓差电池电动势的测试结果表明,样品在测试温度下、湿润含氧气氛中为纯氧离子导体,质子导电性可忽略不计；样品氧离子电导率受掺杂离子浓度的影响,大小变化次序为:σ(y=0.03)<σ(y=0)<σ(y=0.01)。
与母体相比,上述系列样品虽然抑制了相变的发生,但电导率稍有降低。这可能是由于掺杂量过大所致。因此本研究将Sr2+掺杂量适当降低为0.03,采用固相法合成了(La0.97Sr0.03)2(Mo1-yGay)2O9-α(y=0,0.01,0.03,0.05,0.08)系列陶瓷样品,并对样品进行了XRD、SEM、DSC表征以及电性能测试。研究发现:Ga3+在(La0.97Sr0.03)2(MO1-yGay)2O9-α中的掺杂限度在0.05和0.08之间；DSC分析及电导率测试表明,y≤0.05双掺杂样品完全抑制了相变；在测试温度下、干燥以及湿润含氧气氛中,样品均几乎为纯氧离子导体,质子导电性可忽略不计；随着掺杂量y的增大,氧离子电导率先增大后降低,大小次序为:σ(y=0.05)<σ(y=0)<σ(y=0.03)<σ(y=0.01),1000℃时,y=0.01样品具有最高的氧离子电导率0.103S·cm-1。
此外,本文以电导率最高的样品(La0.97Sr0.03)2(Mo0.99Ga0.01)2O9-α作为固体电解质,制作成简易氧传感器并用于测定钢瓶Ar气中的微量氧含量。结果表明其测试性能与以YSZ为电解质的氧传感器相接近,这为将La2Mo2O9基新型氧离子导体应用于中温氧传感器提供了重要参考。