BaSn0.5Y0.5O2.75高温质子导体的掺杂改性、结构和导电性能研究

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固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高效、清洁的发电装置备受人们的关注,其中以质子导体作为电解质是实现SOFCs中低温化的重要途径。BaSn0.5Y0.5O2.75(BSY)质子导体具有高质子电导率以及在CO2气氛下具有非常好的化学稳定性,但该材料的难烧结性及在湿润气氛下的结构不稳定性限制了其在SOFCs中的应用。本文以改善BSY的烧结性能及稳定性为目标,利用Zn或In对BSY进行掺杂改性,通过XRD、SEM和EIS等测试分析,研究了Zn和In含量对电解质微观结构、结构稳定性、烧结性能以及电性能的影响。用Zn分别取代BSY中的Sn和Y成功制备了纳米BaSn0.46Y0.5Zn0.04O2.75和BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.75-质子导体,研究表明BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.75-在1350℃下烧结5h后具有更高的致密度和电导率。采用溶胶凝胶法制备了Zn与Y共掺杂的纳米BaSn0.5Y0.5-xZnxO2.75-(x=0-0.04,BSYZ)质子导体,研究了Zn含量对BSYZ烧结性能、微观结构及电性能的影响。结果表明,掺杂少量的Zn(≥2mol%)不仅能够显著降低获得致密电解质的烧结温度(1350℃),而且能够促进晶粒生长、增强湿润气氛下材料的结构稳定性。与此同时,Zn含量对BSYZ电导率的影响很大,其总电导率和晶界电导率随Zn含量的增加而增大,而晶粒电导率却随Zn含量的增加而下降,600℃湿润氩气条件下,BaSn0.5Y0.48Zn0.02O2.75-的晶粒电导率最大,达到了1.41×10-3S/cm。采用溶胶凝胶法制备In与Y共掺杂的纳米BaSn0.5Y0.5-xInxO2.75(x=0.2-0.4,BSYIn)质子导体,研究了In含量对BSYIn材料在烧结性能、微观结构及电性能上的影响。结果表明,In的引入显著提高了BSYIn的烧结性能,并且样品的烧结性能随In含量的增加而提高,1450℃下烧结5h即能得到致密材料。扫描电子显微镜(SEM)结果表明,随着In含量的增加,BSYIn的晶粒尺寸增大。另外,BSYIn的电导率随In含量的增加而降低,600℃湿润氩气条件下,BaSn0.5Y0.03In0.02O2.75的总电导率和晶粒电导率达到最大,分别为1.08×10-3S/cm和2.46×10-3S/cm。通过对BSYZ和BSYIn电解质材料微观结构、结构稳定性及电性能的研究,证实二者可作为中低温固体氧化物燃料电池的电解质材料,并具有很好的应用和发展前景。
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