铈基氧化物晶界微观结构的有效调控及其在离子和电子输运中的作用机理研究

Solid electrolyte are present in the form of polycrystals. As a crucial part of the microstructure, the grain boundaries often have a critical influence on the overall properties. In the intermediate and low temperature regime, the specific grain-boundary conductivity is known to be 2–3 orders lower than the bulk conductivity. By the use of the particle effect of the second phase, a new type of composite electrolyte will be fabricated. Several transition metal oxides(TMOs) such as Fe2O3, TiO2, Co3O4 and NiO will be used in ceria-based electrolyte. Studies will be carried out on the existence pattern of transition metal oxide and its regulatory effect on the grain boundary of this kind of composite material systematically. The influence of grain boundary microstructure on the transport properties of oxygen ion and electron will be discussed. By doing so we want to obtain the regular recognition of the micromechanism of the grain boundary behaviour and give its theoretical explanation. The aim of this project is to realize the controllable preparation of grain boundary structure of doped CeO2 by introducing a small amount of TMOs and utilizing a new synthetic route. The oxygen ion blocking technology will be used to test the electronic conductivity of the composite system. The relationship between the transport property of electron, the matter system and working environment of SOFC will be established. The mechanism of action of grain boundary microstructure on transport property of oxygen ions and electrons of Ce-based oxide will also be studied。Solid oxide fuel cells (SOFC) will be fabricated with this kind of composite material. The electrochemistry characteristic of this composite material, the inter-relationship between the microstructure of electrolyte and the performance of SOFC will also be investigated. Finally a new type of composite electrolytes with high performance will be got.

对于以多晶形式存在的中温固体电解质材料，晶界作为显微结构的一个组成部分，对材料的性能常起着关键性的影响。本项目将过渡族金属氧化物TMOs与Sm掺杂的CeO2 基中温固体电解质材料（SDC）复合，制备复合电解质材料。系统研究TMOs在SDC晶界的存在形态和对晶界微观结构的调制作用，以及与氧离子输运性能之间的关系，得到微观机制的规律性认识和理论解释，并结合先进的电解质前驱体材料的合成方法，实现对CeO2 基中温固体电解质材料晶界微观结构的可控制备。用氧离子阻断技术评估复合体系的电子导电特性，探明复合材料的物质体系、工作的气氛环境与电子输运特性的关系。研究晶界微观结构对材料离子、电子输运特性的影响及作用机理。将这种新型的电解质材料应用于SOFC 中，系统研究电池的电化学特性，探索中低温电解质的微观结构与SOFC性能的内在联系规律,制备性能卓越的新型复合电解质材料。

利用新能源替代传统能源实现节能减排，是一条重要的治理大气污染的路径。作为新一代高效洁净能源的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)是一种新型的发电装置，其效率高、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等是其应用的基础。以多晶形式存在的中温固体电解质材料，晶界的显微结构对材料的性能起着关键性的影响。晶界是一个高缺陷浓度和原子排列无序的高能区。通过对基体材料与其他材料进行复合可以改变相界面错配、位错和界面缺陷的浓度以及杂质在材料晶界处的存在状态。溶质原子或离子在晶界的偏聚、晶界移动、空间电荷层浓度等晶界的微观结构与性质强烈地影响着材料的力学和物理性能。本项目将过渡族金属氧化物TMOs与CeO2 基中温固体电解质材料复合，制备复合电解质材料。系统研究了TMOs在CeO2 基中温固体电解质材料晶界的存在形态和对晶界微观结构的调制作用，以及与氧离子输运性能之间的关系。用氧离子阻断技术评估复合体系的电子导电特性，探明复合材料的物质体系、工作的气氛环境与电子输运特性的关系。研究晶界微观结构对材料离子、电子输运特性的影响及作用机理。研究表明，TMOs以稳定的相结构存在于基体电解质材料的晶界处。TMOs能在一定程度上促进基体材料晶粒生长，改变晶界的微结构，对材料高温下的离子输运性能产生影响。我们将这种新型的复合电解质材料应用于SOFC 中，系统地研究了电池的电化学特性，发现复合电解质电池的性能明显提高，电池的工作稳定性增强。通过本项目的系统研究我们找到了复合电解质的最佳制备条件，明确了材料的微观结构与氧离子及电子电导率之间的关系，为制备出性能卓越的新型复合电解质材料做出了一定的贡献。