水热法和共沉淀法制备纳米晶氧化物及其在电池中的应用

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随着经济的飞速发展,能源危机日益严峻。由于大量化石能源燃烧造成了严重的环境问题,能源的多元化和清洁化已是当务之急,具有清洁和便携特点的化学电源便引起了各国研究者对新型电池的研究兴趣。其中典型的代表有:燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池。作为它们电池材料的氧化物在电池运行过程中有着不可磨灭的作用,同样也成为了目前研究的热点。本文采用水热合成法和共沉淀法分别制备了染料敏化太阳电池(DSSC)的阳极材料纳米TiO2和固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质纳米YSZ。并采用X射线分析(XRD)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法对合成的粉体进行了表征分析,并用I-V曲线测试系统和电化学工作站分别对DSSC和YSZ的电性能进行了测试。本论文主要研究内容如下:(1)通过水热合成法制备了纳米TiO2。控制合成过程中的前驱体pH值和水热反应温度,制备了不同晶型和不同粒径的纳米TiO2,并以其作为光阳极测试了DSSC光电性能。由晶型含量计算公式计算结果表明,DSSC光电性能随着纳米TiO2中锐钛矿型的增加而增大。当pH=3时,获得纯锐钛矿晶型,以它作为光阳极的DSSC光电转换效率是最高的达到3.64%。说明DSSC的光电转换效率与TiO2中锐钛矿型所占比例成正比。(2)将合成的TiO2与市场上购买的P25作出对比,由于P25是锐钛矿和金红石的混合晶型,所以以它作为光阳极的DSSC光电转换效率为2.12%,比所有水热合成TiO2的DSSC都要低,说明了合成的纳米TiO2性能是优于P25的。(3)采用共沉淀法制备了纳米YSZ,研究了制备过程中不同焙烧温度(500800oC)对YSZ晶型、晶粒尺寸、微观结构以及电性能的影响。结果表明,随着焙烧温度的升高,YSZ晶粒尺寸是增大的。500oC时焙烧的YSZ得到了最高的电导率为0.0266S·cm-1。(4)采用共沉淀法制备了不同Al2O3掺杂量的纳米YSZ。讨论了不同Al2O3掺杂量对YSZ微观结构及电性能的影响。结果显示,Al2O3的掺杂并未让YSZ的晶型发生改变,而是由于它的掺杂使得YSZ的晶界发生了变化。测定所有样品的电性能,Al2O3掺杂量升高时,YSZ的电导率是先增大后减小的。Al2O3掺杂量1wt%时电导率是最高的达0.0334S·cm-1。
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