La-Ca-Sm多元掺杂CeO2电解质材料的制备及性能研究

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Sm掺杂CeO2(SDC)在中温下具有良好的导电性能,可作为中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)电解质材料。然而,制备完全致密的SDC薄膜需要较高的烧结温度(≥1500℃)。针对这个问题,研究者们发现降低SDC电解质材料烧结温度、提高其电导率的有效方法之一是对其进行多元掺杂。因此为制备低成本、高性能CeO2电解质材料,本研究以La、Ca掺杂SDC,在降低烧结温度的同时提高电导率。本研究采用溶胶-凝胶法制备了SDC粉体和La、Ca掺杂的SDC粉体,并通过干压成型-烧结法制备了x SDC(x为掺杂Sm的摩尔百分数,x=5,10,15,20)及y Ca-(10-y)La-10SDC块体(y为掺杂Ca的摩尔百分数,y=2,4,6,8,10)。利用X射线衍射仪(XRD)表征和分析粉体及烧结块体的相结构。利用扫描电子显微镜(SEM)表征和分析烧结块体的微观结构,并结合相对密度测试评价块体的烧结性能。利用直流法和交流法测量烧结块体在550-750℃的电导率。系统研究La、Ca掺杂量和烧结温度对SDC相结构、微观结构、烧结性能及电导率的影响规律,并以此为基础确定La、Ca的最佳掺杂量,为设计和制备高性能的IT-SOFC电解质材料提供依据。研究表明,不同Sm掺杂量的CeO2在1400℃下烧结得到的样品都为立方萤石结构,其晶格常数随Sm掺杂量增加而增加。当Sm掺杂量从5 mol%增加到10 mol%时,其晶粒尺寸、相对密度及电导率均增加,氧离子传导活化能减小。另外,在不同烧结温度下(1100℃、1200℃、1300℃、1400℃)制备的20 mol%Sm掺杂的CeO2(20SDC)烧结块体均为立方萤石结构,说明在本实验条件下烧结温度不影响材料的相结构。随着烧结温度的升高,样品的晶粒尺寸、相对密度以及电导率增加,氧离子传导活化能降低。在单掺杂体系内,1400℃烧结的20SDC在750℃测量的电导率最大,为0.0221 S cm-1。在本实验烧结温度和掺杂量条件下,烧结温度和掺杂量都不影响样品的相结构,其均为立方萤石结构。在1100℃下烧结的y Ca-(10-y)La-10SDC的晶格常数随Ca掺杂量增加而减小。当Ca掺杂量从2 mol%增加到10 mol%时,其晶粒尺寸、相对密度及电导率均先增大后减小,其中8Ca-2La-10SDC的电导率最大,在750℃测量为0.0322 S cm-1;10Ca-10SDC的电导率最小,在750℃测量为0.0237 S cm-1,但其仍高于1400℃烧结的20SDC在同温度下的电导率。因此,通过向SDC中掺杂8 mol%Ca和2 mol%La,可在提高其电导率的同时使其烧结温度从1400℃降低到1100℃。
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