固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种新型高效的洁净能源利用技术,在环境和能源问题日益严重的今天,引起了各国极大的关注。目前已经商业化应用的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质材料只有在高温度下才具有较高的电导率,但高温操作会带来一系列问题,从而导致电池性能的下降。因此,研究开发一种在中低温(600-800℃)下具有较高电导率的电解质材料,不仅可以提高SOFC的热力学效率,大幅度地降低成本,而且还可以解决高温下组装困难的问题,对加速SOFC产业化进程具有非常重要的意义。 具有磷灰石结构的硅酸盐氧离子导体正是在这种情况下出现的一种具有开发潜力的中低温陶瓷电解质材料。该材料在相对较低的温度下(低于600℃)具有比YSZ更高的氧离子电导率,并且在很宽的氧分压范围内具有较低的电子传导性,以及较低的热膨胀系数和低成本,使其成为新型氧离子导体研究的热点。 本论文从纳米材料粉体的制备技术入手,以硅酸镧氧基磷灰石La9.33Si6O26为模型,以正硅酸乙酯为前驱物,采用溶胶-凝胶法在较低的烧结温度和较短的烧结时间内合成了La10-x(SiO4)6O2±y及La、Si位不同掺杂的氧基磷灰石型电解质膜片。利用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)分别对材料的晶型结构和表面形貌进行了表征。利用红外(IR)技术,对凝胶在不同温度烧结后样品的IR谱图,结合凝胶的热重及差热分析(TG-DSC)谱图,分析了凝胶的热分解过程和氧基磷灰石的形成过程。讨论了H2O/TEOS摩尔比、酸催化剂用量和硅浓度对凝胶形成的影响,研究了球磨对粉体烧结性能及焙烧温度对陶瓷片致密度的影响。 其次,分别以化学计量/氧离子缺陷型、阳离子缺陷型、过量氧和硅掺杂型三种氧基磷灰石为研究对象,对氧基磷灰石型电解质膜片进行了导电性能研究。考察了阳离子空位、氧离子空位和间隙氧离子对电导率的影响。 电导率测试结果表明,所有样品电导率与温度的关系基本符合Arrhenius关系式。除钒掺杂硅酸盐氧基磷灰石在较低的氧分压下有少量的电子导电外,其它所研究的硅酸盐氧基磷灰石的电荷载体均是O2-离子。影响硅酸盐氧基磷灰石电导率的因素主要有间隙氧数量、阳离子空位数量和La/Si位不同掺杂及掺杂离子的半径大小。间隙氧和阳离子空位数越多,掺杂离子半径越大,电导率就越大。化学计量和氧离子缺陷磷灰石遵循直线传导的自由氧空位机理,其特征是电导率小,活化能大。阳离子缺陷、过量氧和硅酸盐掺杂等磷灰石遵循曲线传导的间隙氧导电机理,其特征是电导率大,活化能小。因此,这类材料的研究方向应该为有间隙氧、阳离子空位和进行Si掺杂的La10-a(SiO4)6-b(TO4)bO2+δ型磷灰石。