纳米复相结构设计高电导率钙钛矿型质子导体的研究

钙钛矿型质子导体材料作为电解质制成的固体氧化物燃料电池，具有氧离子导体电解质所不具备的一些独特的优点和性能，已日益成为固体电解质研究的热点之一。本项目提出在纳米钙钛矿质子导体界面引入无机盐或氧离子导体等第二相,从而在两相之间形成大量界面，基于纳米两相界面构成离子快速通道的原理，借助核壳结构纳米颗粒制备和放电等离子体烧结技术，实现致密纳米复相电解质的烧结、微观结构调控和电导率提升。结合试验和纳米离子学理论重点研究第二相成分和含量对材料的烧结、微观结构、热力学性能和电导率的影响，揭示纳米结构、界面特征、第二相成分和含量等因素与电导率之间的关联性，并结合理论模型阐明离子电导率提升的机理，为中低温固体氧化物燃料电池的电解质材料的选择、设计和制造提供理论基础。

钙钛矿型质子导体材料作为电解质制成的固体氧化物燃料电池，具有氧离子导体电解质所不具备的一些独特的优点和性能，已日益成为固体电解质研究的热点之一。本项目利用BaZr0.9Y0.1O3-δ质子导体作为基体相，引入BaCe0.86Y0.1Zn0.04O3-δ作为第二相，获得易烧结、高电导率和化学稳定性BaZr0.9Y0.1O3-δ (BZY)-BaCe0.86Y0.1Zn0.04O3-δ(BCYZn)复相高温质子导体。在600 ℃和5 % H2/Ar气氛下，10 wt% BZY - 90 wt% BCYZn的电导率分别达到10 mS/cm。当第二相为Ce0.8Sm0.2O2-δ（SDC）氧离子导体时，获得易烧结、高电导率BZY-SDC氧离子和质子共传导复相电解质材料，在600 ℃和湿空气气氛下，最高电导率达到20 mS/cm。.本项目系统研究了不同稀土元素掺杂BaSnO3的结构、显微结构和导电性能，表明材料的晶格常数与离子半径不成线性关系，这可能由于离子半径大的稀土元素掺杂到Ba位，而不是Sn位，导致离子电导率的降低。通过对比研究不同稀土元素掺杂BaSnO3的电性能，表明Y掺杂BaSnO3具有优异的电导率和化学结构稳定性，但需要在1500 oC以上高温烧结才能获得致密材料，这限制了该材料在固体氧化物燃料电池的应用。本课题通过引入Zn作为第二掺杂元素，大幅降低烧结温度，在1300 oC材料相对致密度达到了95%以上。Zn掺杂也有利于晶粒的生长、电导率和化学稳定性的提升。.