锆酸盐基电解质陶瓷的晶界设计与性能研究

锆酸盐基材料是一种重要的中高温离子导体，但存在晶界电阻过高导致材料离子导电性能下降的问题。本项目将在保证锆酸盐基材料最大晶粒电导率的前提下，通过添加一些化合物改善空间电荷层电荷分布、控制晶界相形态，形成有利于离子迁移的晶界通道的方法降低晶界相电阻，用"砖块模型"对晶界电阻进行进一步分析，提高比晶界电导率。本项目还将采用阶梯生长法合成具有多米诺骨牌状、阶梯状等具有特殊形貌的陶瓷粉体，结晶定向烧结制备具有优良晶界离子导电性能的陶瓷，并进一步探索致密锆酸盐基薄膜的制备技术，减小甚至消除晶界，改善提高电解质陶瓷的离子导电性能。项目将结合锆酸盐基陶瓷电解质实际应用中的动力学和热力学行为，以及对电解质实际应用前后晶界性能变化的分析，进一步阐明进行电解质陶瓷晶界设计的方法和控制机理。

为了改善提高锆酸盐基质子导体的性能，.1）通过优化的固相反应法得到锆酸盐和铈酸盐陶瓷，然后共烧结得到复相陶瓷80%CaZr0.95In0.05O3-δ – 20% BaCe0.9Y0.1O3-θ。结果表明在1400oC烧结即可得到致密度97%的陶瓷，其质子导电性在800oC 即可达1.0*10-3S•cm-1,是CaZr0.95In0.05O3-δ的两倍. 且该陶瓷在CO2 and H2O气氛下表现出良好的化学和热稳定性. .2）即将简单的均匀共沉淀法与传统的固相反应法结合，合成BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ材料，研究表明这种方法可以大大地降低材料的合成温度，增强粉体的烧结活性。而且用这种方法制备出的陶瓷的电性能优于采用传统的固相法和溶胶-凝胶法制备的样品的电性能。特别是，这种方法宜于大批量合成。同时，这种方法还被证实是一种可行并且有效的可以在较低的温度下制备纯相的其他离子导电材料的合成方法。.3）从包覆和复合的思想出发，尝试解决BaCeO3的化学稳定性问题和CaZrO3的电性能问题。首先是采用一种新颖的冷冻干燥的方法制备了高稳定性的BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ包覆BaCe0.8Y0.2O2.9的核壳结构的材料，研究发现内部材料的稳定性被大大增强；其次是将CePO4氧化物以及无机盐与CaZrO3进行复合，研究表明前者可以将CaZrO3的电导率提高一倍，后者在双组分无机盐Na2SO4&NaOH的作用下，CaZrO3的电导率被提高了将近两个数量级。.4）以改进的固相反应法合成的BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ材料为研究对象，开展了燃料电池和氢分离的两种典型的应用研究。针对燃料电池应用，本文主要是研究了两种电解质膜的制备工艺--共压-共烧结和电泳沉积-共烧结，同时探索了造孔剂含量、烧结制度、悬浮液的性质等实验条件，成功地制备了电解质膜。阴极通过丝网印刷工艺进行制备，得到平整的单电池。对得到的燃料电池性能进行表征，研究发现电泳沉积-共烧结工艺是实现的性能更好的膜制备工艺。在氢分离方面，为了得到质子导电组分和电子导电组分均匀分布的膜材料，我们发展了一种原位沉积混合的方法，同时结合先进的放电等离子体烧结技术，得到适合不同工作条件下使用的透氢膜--Ni&BaCe0.8Y0.2O2.9和Ni&BaCe0.4Zr0.4Y0.2O3-δ。