本文關(guān)鍵詞：系列混合電子—氧離子導(dǎo)體的合成與電性能研究

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【摘要】：氧離子導(dǎo)體材料具有非常廣泛的潛在應(yīng)用,純氧離子導(dǎo)體可以應(yīng)用于固態(tài)氧化物燃料電池(SOFCs)的電解質(zhì)、氧傳感器和氧泵等,混合電子-氧離子導(dǎo)體可以應(yīng)用于SOFCs電極材料、氧滲透膜、氣體轉(zhuǎn)換和合成氣生產(chǎn)的催化中等,目前氧離子導(dǎo)體的趨勢(shì)是降低操作溫度至500℃以下。本論文將選取混合電子-氧離子導(dǎo)體材料BiVO_4、NdBaInO_4和SrFeO_3三個(gè)體系進(jìn)行金屬離子的摻雜制造氧空位缺陷或間隙氧缺陷,探索不同結(jié)構(gòu)中氧離子缺陷對(duì)材料電性能的影響。此外,也試圖尋找和發(fā)現(xiàn)含四面體結(jié)構(gòu)單元的潛在新型氧離子導(dǎo)體,探索了Sr_3R_2Si_6O_(18)(R=Y,Gd)本體及制造氧缺陷組分的合成與LaRbMo_2O_8材料的合成。具體開(kāi)展工作如下:1)對(duì)于白鎢礦材料BiVO_4,對(duì)比了固相合成與激光氣動(dòng)懸浮合成對(duì)Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)固溶體的固溶區(qū)間的影響,在激光氣動(dòng)懸浮法合成Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)的基礎(chǔ)上,對(duì)樣品進(jìn)行了中子衍射、同步輻射測(cè)試以及51V核磁共振測(cè)試,確定氧空位在結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定和氧離子遷移機(jī)制,結(jié)合Bi~(3+)位摻Na+引入氧空位缺陷探索了摻雜劑對(duì)本體材料的離子導(dǎo)電行為、相變及禁帶寬度的影響。結(jié)果表明:在Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)中,激光氣動(dòng)懸浮技術(shù)可以獲得更寬的固溶區(qū),Sr~(2+)的引入提高了本體材料的電導(dǎo)率和降低了相變溫度,對(duì)本體材料禁帶寬度沒(méi)有影響,材料電性能不受合成方法的影響,中子衍射和同步輻射獲得了組分的平均結(jié)構(gòu),51V核磁共振譜證明了摻雜后樣品中V2O7二聚體的存在;Na~+改善了本體的低溫電導(dǎo)率,未改變相變溫度和禁帶寬度。2)在類(lèi)鈣鈦礦NdBaInO_4中,分別在Nd~(3+)和Ba~(2+)位進(jìn)行了不等價(jià)取代,探索物相的合成以及摻雜劑對(duì)材料電性能的影響,課題組成員對(duì)Nd_(1-x)M_xBaInO_(4-0.5x)(M=Ca,Sr,Ba)組分進(jìn)行了原子靜態(tài)晶格模擬和分子動(dòng)態(tài)模擬。結(jié)果表明:Ca~(2+),Sr~(2+),Ba~(2+)取代Nd_(3+)制造氧空位缺陷的固溶體中,Ca~(2+)為最好的摻雜劑,固溶區(qū)最寬(≤20%),電導(dǎo)率最高;通過(guò)電導(dǎo)率-pO2測(cè)試和氧濃差電池測(cè)試確定了Ca~(2+)摻雜樣品中明顯的氧離子導(dǎo)電行為和氧離子遷移數(shù);結(jié)合尺寸效應(yīng)和理論計(jì)算支持了Ca~(2+)為最好摻雜劑,并確定了材料Nd_(1-x)M_xBaInO_(4-0.5x)中氧空位最優(yōu)遷移路徑;Ce~(4+)取代Nd~(3+)只能引入少量的間隙氧,電導(dǎo)率無(wú)明顯改善,組分Nd_(0.95)Ce_(0.05)BaInO_(4.025)還原后電導(dǎo)率大幅下降,不適用于燃料極材料;Ba~(2+)位摻Nd~(3+)/La~(3+)或In~(3+)位摻Nb~(5+)引入間隙氧很難形成固溶體。3)在可逆相變材料SrFeO_3中,在Fe~(4+)位摻少量Zr~(4+)穩(wěn)定立方相結(jié)構(gòu),研究材料的物相合成與電導(dǎo)率和面比電阻;在還原態(tài)鈣鐵礦Sr_2Fe_2O_5材料基礎(chǔ)上,Sr~(2+)位摻雜La~(3+)/Pr~(3+),減少本體氧空位的量以提高材料的混合電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:少量Zr~(4+)可以短時(shí)間穩(wěn)定氧化態(tài)立方相結(jié)構(gòu)于還原氣氛中,極化電阻需進(jìn)一步減少;適量調(diào)節(jié)造孔劑乙基纖維素的量可以降低SrFeO_3材料的極化電阻,La~(3+)/Pr~(3+)摻雜可以提高本體材料在5%H_2/Ar中的電導(dǎo)率,但單電池性能需進(jìn)一步改進(jìn)。4)為了尋找含四面體結(jié)構(gòu)單元的新型氧離子導(dǎo)體,在含四面體Si3O9三元環(huán)的熒光材料Sr3R2Si6O18(R=Y,Gd)中進(jìn)行了本體、調(diào)節(jié)Sr/R比例制造氧缺陷和Sr2+位摻Na+形成氧空位組分的合成;同時(shí),對(duì)含MoO4四面體材料LaRbMo2O8進(jìn)行了合成嘗試。結(jié)果表明:a)除Sr3-xNaxY2Si6O18-0.5x(x=0.3,0.5)組分可以獲得單一物相外,其余組分均含少量雜質(zhì),本體材料中Sr3Y2Si6O18的電導(dǎo)率明顯高于Sr3Y2Si6O18的電導(dǎo)率,在Na+摻雜的Sr3Y2Si6O18樣品中,Na+的引入有效降低了本體材料的成相溫度和提高了電導(dǎo)率,b)通過(guò)固相法800℃-10h獲得四方相LaRbMo2O8粉末,結(jié)合VT-XRD和DSC數(shù)據(jù),證實(shí)了材料升溫至580℃發(fā)生相轉(zhuǎn)變生成一個(gè)新物相,降溫至400℃開(kāi)始出現(xiàn)四方相并在150℃左右為單一四方相結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：混合電子-氧離子導(dǎo)體 氧缺陷 導(dǎo)電機(jī)制 相轉(zhuǎn)變 電導(dǎo)率 極化電阻
【學(xué)位授予單位】：桂林理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O611
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 研究背景15
• 1.2 固體氧化物燃料電池(SOFCs)和固體氧化物電解池(SOECs)15-17
• 1.2.1 SOFC和SOEC工作原理15-17
• 1.3 SOFC的關(guān)鍵材料及研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3.1 電解質(zhì)材料及研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3.2 電極材料及研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 本論文的研究目的與研究?jī)?nèi)容20-23
• 1.4.1 研究思路20-21
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容21-23
• 第二章 材料的制備與表征23-35
• 2.1 影響合成的因素23-24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑24-25
• 2.3 實(shí)驗(yàn)儀器25
• 2.4 樣品的合成25-26
• 2.5 材料性能測(cè)試表征手段26-34
• 2.5.1 粉末X-射線衍射26-28
• 2.5.2 中子衍射和同步輻射和51V-NMR測(cè)試28
• 2.5.3 交流阻抗測(cè)試28-30
• 2.5.4 掃描電鏡分析30-31
• 2.5.5 氧濃差電池測(cè)試(EMF測(cè)試)31-33
• 2.5.6 UV-vis測(cè)試樣品Eg33-34
• 2.6 晶體結(jié)構(gòu)畫(huà)圖及物相分析34-35
• 第三章 BiVO_4中制造氧缺陷后離子導(dǎo)電行為和相轉(zhuǎn)變研究35-59
• 3.1 前言35
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分35-37
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑35-36
• 3.2.2 Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x), Bi_(1-x)Na_xVO_(4-x)和BiV_(1-x)W_xO_(4+0.5x)體系的合成36
• 3.2.3 樣品表征36-37
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論37-57
• 3.3.1 Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)體系物相分析37-40
• 3.3.2 Bi_(1-x)Na_xVO_(4-x)體系物相分析40-42
• 3.3.3 BiV_(1-x)W_xO_(4+0.5x)體系物相分析42
• 3.3.4 Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)體系樣品的變溫XRD數(shù)據(jù)42-44
• 3.3.5 激光懸浮法合成的Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)材料的中子衍射和同步輻射數(shù)據(jù)44-46
• 3.3.6 激光氣動(dòng)懸浮法合成的Bi_(1-x)SrxVO_(4-0.5x)系列樣品的51V核磁共振數(shù)據(jù)46-47
• 3.3.7 Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)體系樣品的導(dǎo)電性能研究47-53
• 3.3.8 Bi_(1-x)Sr_xVO_(4-0.5x)體系樣品的可見(jiàn)-紫外吸收光譜53-54
• 3.3.9 Bi_(1-x)Na_xVO_(4-x)體系樣品的變溫XRD數(shù)據(jù)54-55
• 3.3.10 Bi_(1-x)Na_xVO_(4-x) (x=0-0.3)體系樣品的導(dǎo)電性能研究55-56
• 3.3.11 Bi_(1-x)Na_xVO_(4-x) (x=0-0.3)樣品的紫外-可見(jiàn)吸收光譜56-57
• 3.4 結(jié)論57-59
• 第四章 NdBaInO_4-基材料制造氧缺陷的合成與電性能研究59-83
• 4.1 前言59-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分60-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑60-61
• 4.2.2 各摻雜體系材料的合成61
• 4.2.3 樣品表征61-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論62-81
• 4.3.1 Nd_(1-x)M_xBaInO_(4-0.5x)(M=Ca, Sr, Ba)體系物相分析62-64
• 4.3.2 Nd_(1-x)Ce_xBaInO_(4+0.5x)體系物相分析64-65
• 4.3.3 NdBa_(1-x)M_xIn_(4+0.5x)(M=La,Nd)體系物相分析65-66
• 4.3.4 Nd_(1-x)Ca_xBaInO_(4-0.5x)材料的離子導(dǎo)電研究66-71
• 4.3.5 Nd_(1-x)Ba_(1+x)InO_(4-0.5x)體系離子導(dǎo)電研究71-73
• 4.3.6 Nd_(0.9)M_(0.1)BaInO_(3.95)(Ca,Sr,Ba)組分電導(dǎo)率對(duì)比73-77
• 4.3.7 Nd_(0.9)Ce_(0.1_BaInO_(4.05)材料電導(dǎo)率研究77-78
• 4.3.8 Nd_(3.95)Ce_(0.05)BaInO_(4.025)和NdBaIn_(0.9)Nb_(0.1)O_(4.1)電極材料制備78-80
• 4.3.9 Nd_(3.95)Ce_(0.05)BaIn_(O4.025)電極材料的電導(dǎo)率測(cè)試及對(duì)稱(chēng)電池測(cè)試80-81
• 4.4 結(jié)論81-83
• 第五章 SrFeO_3-Sr_2Fe_2O_5陰極材料的合成與性能研究83-104
• 5.1 前言83-84
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分84-86
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑84-85
• 5.2.2 系列摻雜樣品的合成85
• 5.2.3 甘氨酸-硝酸鹽自燃法制備SDC和LSM85
• 5.2.4 對(duì)稱(chēng)電池及單電池的制備85-86
• 5.2.5 樣品表征86
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論86-102
• 5.3.1 固相法合成SrFe_(1-x)Zr_xO_3材料物相分析86-89
• 5.3.2 甘氨酸-硝酸鹽合成SrFeO_3和Sr_(0.9)Fe_(0.9)Zr_(0.1O2.95)樣品89-90
• 5.3.3 SrFe_(1-x)Co_xO_(3-0.5x)(x=0.1, 0.5)樣品物相分析90-91
• 5.3.4 Sr_(1-x)M_xFeO_(3+0.5x)(M=La,Pr)材料物相分析91-93
• 5.3.5 SrFe_(1-x)Zr_xO_(3+0.5x)(x=0, 0.1, 0.85, 0.9)材料導(dǎo)電性測(cè)試93-95
• 5.3.6 Sr_(1-x)MxFeO_(3+0.5x)(M=La, Pr)材材料導(dǎo)電性測(cè)試95-97
• 5.3.7 造孔劑乙基纖維含量素對(duì)SrFeO_3單電池的性能影響97-99
• 5.3.8 造孔劑乙基纖維素對(duì)SrFeO_3單電池形貌影響99-100
• 5.3.9 Sr_(0.9)Fe_(0.1)Zr_(0.1)O_3單電池Rp測(cè)試100-101
• 5.3.10 Sr_(0.9)Pr_(0.1)FeO_(3.05)單電池Rp測(cè)試101-102
• 5.4 結(jié)論102-104
• 第六章 其他含四面體結(jié)構(gòu)材料的氧離子導(dǎo)體的初步探索104-118
• 6.1 前言104-105
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分105-107
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑105-106
• 6.2.2 Sr_(3±x)R_(2±x)Si_6O_(18±0.5x)和Sr_(3-x)Na_xR_2Si_6O_(18-0.5x)(R= Y, Gd)材料的合成106
• 6.2.3 LaRbMo_2O_8材料的合成106
• 6.2.4 樣品表征106-107
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論107-116
• 6.3.1 Sr_(3±x)R_(2±x)Si_6O_(18±0.5x)(R=Y,Gd)材料的物相分析107-108
• 6.3.2 Sr_(3-x)Na_xR_2Si_6O_(18-0.5x)(R= Gd,Y)體系的物相分析108
• 6.3.3 Sr_(3-x)Na_xR_2Si_6O_(18-0.5x)(R= Gd,Y)體系的導(dǎo)電性能測(cè)試108-111
• 6.3.4 LaRbMo_2O_8體系的物相分析111-115
• 6.3.5 LaRbMo_2O_8的變溫衍射數(shù)據(jù)115-116
• 6.3.6 LaRbMo_2O_8的DSC曲線116
• 6.4 結(jié)論116-118
• 第七章 總結(jié)與展望118-120
• 參考文獻(xiàn)120-130
• 讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表情況130-131
• 致謝131

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本文編號(hào)：907306