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钼酸镧(La2Mo2O9)是最近被报道的一种新型氧离子导体,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氧空位,且在600~800℃中温范围内具有高于传统的稳定化ZrO2的氧离子电导率。
本文通过高温固相法合成了(La1-xBax)2Mo2O9-a(x=1%、5%、10%、15%)单掺杂系列氧离子导体,对样品进行了XRD、SEM表征。结果表明该系列样品均为单一立方相La2Mo2O9结构。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、氧泵等方法研究了各样品在600~1000℃下不同气氛中的导电特性。
氧浓差电池电动势的实测值与理论值吻合得很好,氧离子迁移数为1,表明该系列样品在该温度范围下的氧气气氛中为纯氧离子导体;氧泵(氧的电化学透过)实验值也与理论值吻合得较好,进一步证实了该系列样品在氧气气氛中为纯氧离子导体。(La1-xBax)2Mo2O9-a的氧离子电导率高于母体La2Mo2O9,其中,La1.9Ba0.1Mo2O9-a具有最高的氧离子电导率,1000℃时达到0.093S·cm-1。
至今尚未见到La2Mo209基陶瓷燃料电池性能的研究报道。本文研究了单掺杂系列样品的燃料电池性能,1000C时氢气-氧气燃料电池的最大输出电流密度为280mA·cm-2,最大输出功率密度为112mW·cm-2,天然气-氧气燃料电池的最大输出电流密度为200mA·cm-2、最大输出功率密度为72mW·cm-2,显示La2Mo209基陶瓷燃料电池具有较好的性能。样品在燃料电池条件下存在一定程度的电子传导,这与La2Mo2O9基陶瓷在还原性气氛中高价钼被还原为低价钼有关。天然气-氧气燃料电池性能较氢气-氧气燃料电池要低,这可能与天然气重整需要消耗一定的电能有关。
此外,至今尚未见到用Ba2+和Nb5+在母体La2Mo2O9中进行双掺杂的研究报道。本文采用高温固相法合成了双掺杂的钼酸镧系列陶瓷样品:La1.9Ba0.1(Mo1-yNby)209-a(y=4%、8%、12%),采用多种电化学方法测试了其离子导电性能。该系列陶瓷样品在高氧分压的情况下是纯氧离子导体。与单掺杂样品比较,双掺杂样品具有较高的氧离子电导率,这与双掺杂样品具有较高的氧空位浓度有关。在双掺杂系列样品中,La1.9Ba0.1Mo1.92Nb0.0809-a具有最高的氧离子电导率0.12S·cm-1(1000℃),它的氢气—氧气燃料电池具有最高功率密度达到133mW·cm-2,高于La1.9Na0.1Mo209-a氢气—氧气燃料电池。