Y掺杂BaZrO_3基复相固体电解质的制备与电性能研究

【摘要】Y掺杂BaZrO3（BZY）在CO2和H2O下具有非常好的化学稳定性、力学性能和高晶粒电导率，但该材料的难烧结性和高晶界电阻妨碍了该材料在固体氧化物燃料电池（SOFCs）的应用。本文通过以BZY为基体，分别引入Y和Zn共掺杂BaCeO3（BCYZn）和Sm掺杂CeO2（SDC）作为第二相提高BZY的烧结性能和电导率，在较低烧结温度下获得高致密、高电导率和稳定性复相固体电解质。通过XRD、SEM和EIS等分析测试方法，研究各组分组成和含量对复相电解质的显微结构、电导率的影响。通过溶胶凝胶与球磨结合（凝胶包覆）和传统的机械混合这两种方法制备纳米复相电解质10wt%BaZr0.9Y0.1O2.95-90wt%BaCe0.86Y0.1Zn0.04O2.91（10BZY-90BCYZn），研究不同制备方法对BZY-BCYZn电解质材料结构和性能的影响。结果表明：相比于机械混合，凝胶包覆法制备的电解质在1350oC煅烧5h已经基本达到致密，在600oC湿润氩气条件下10BZY-90BCYZn的电导率可达到7.3mS/cm，而在相同条件下机械混合制得的10BZY-90BCYZn的电导率仅为2.3mS/cm。通过添加4%mol的ZnO作为掺杂剂（Zn掺杂）和烧结助剂（ZnO混合）两种引入方式制备10BZY-90BCYZn和10BZY-90BCY+ZnO复相电解质材料，研究ZnO的不同引入方式对BZY-BCY复相电解质烧结性能和电性能的影响。结果表明：相比于ZnO作为烧结助剂制备的10BZY-90BCY+ZnO复相电解质，ZnO作为掺杂剂制备的10BZY-90BCYZn复相电解质在1350oC煅烧5h已经基本达到致密，在500oC湿润氩气条件下10BZY-90BCYZn的电导率可达到2.3mS/cm，而在相同条件下10BZY-90BCY+ZnO的电导率仅为0.9mS/cm。采用凝胶包覆法制备了（100－x）wt%BaZr0.9Y0.1O2.95-xwt%BaCe0.86Y0.1Zn0.04O2.91（BZY-BCYZn）（x=70、80、90）系列复相电解质粉体，在1350oC烧结5h得到系列复相电解质块体材料。结果表明：随着BCYZn含量的增加，BZY-BCYZn复相电解质材料的烧结致密性和电导率随之增大，当BZY和BCYZn的质量比为10:90时，BZY-BCYZn具有最高的致密度和电导率，在600oC湿润Ar和5%H2/Ar条件下10BZY-90BCYZn的电导率分别达到7.3mS/cm和10mS/cm。采用机械混合法制备了（100－x）wt%BaZr0.9Y0.1O2.95-xwt%Ce0.8Sm0.2O1.9（BZY-SDC）（x=70、80、90）系列复相电解质粉末，在1500oC烧结5h得到系列复相电解质块体材料。结果表明：随着SDC含量的增加，BZY-SDC复相电解质材料的烧结致密性和电导率随之增大，当BZY和SDC的质量比为10:90时，BZY-SDC具有最高的致密度和电导率，在600oC湿润Air和5%H2/Ar条件下10BZY-90SDC的电导率分别达到20mS/cm和26mS/cm。通过对BZY-BCYZn和BZY-SDC复相电解质材料烧结性能和电性能的研究，证实两种复相电解质材料可作为在中低温范围内固体氧化物燃料电池电解质材料，具有较好的应用和发展前景。
【作者】黄金；
【导师】胡保全；王延忠；杨金龙；
【作者基本信息】中北大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】固体氧化物燃料电池；复相电解质；质子导体；凝胶包覆；机械混合；

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