文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
氧基磷灰石固体电解质的制备和导电性能研究
姓名:黄兆祥
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:黎步银
2010-02-05
华中科技大学博士学位论文
摘要
近年来一种具有磷灰石结构的氧离子导体,以氧基稀土硅化物为代表,受到了
广泛的关注。由于它们在中温范围、宽的氧分压下都具有较高的离子电导率和较低
的活化能,有望成为新型的中温SOFC的电解质材料。氧基磷灰石结构的稀土硅化物
的化学通式为Ln10-x(SiO4)6O2± y,其中Ln为稀土或碱土金属等,从其结构上看存在
多个位置取代的可能性,但目前有关氧离子内在导电机制和掺杂物理本质的认识上,
还有着诸多不同的观点和解释。因此,本文主要从两个方面入手进行研究,一是针
对氧基稀土硅化物磷灰石具有的一系列可替代性的特殊结构进行研究;二是对如何
通过较为系统的掺杂来提高其电导率及掺杂后氧基稀土硅化物磷灰石内在的导电机
理进行研究。
本文首先对磷灰石系材料的研究及发展状况进行了综述。选定氧基磷灰石系列
,分别采用固相法、溶胶-凝胶法和熔盐法不
,并在不同的烧结温度下制备成电解质。实验结果
表明:(1)用3种方法合成磷灰石相粉体的温度分别为1400°C、900°C和900°C左右;
(2)熔盐法作为一种新的合成磷灰石相粉体的方法,合成的粉体直径在250nm左右,
没有团聚且活性最高。该法在1600°C时能将粉体烧结成很致密的陶瓷,做成电解质
的电导率比其它两种方法合成的电解质相对要高;(3)粉体用3种合成方法在1600°C
烧结后,测试它们在700°×10-4S·cm-1、×10-3S·cm-
×10-3S·cm-1。
其次,对氧基硅酸盐磷灰石进行 Ln 位的取代研究。采用溶胶-凝胶法在 900°C
时合成 Ln 位掺杂的 -2x/3Ax(SiO4)6O2(A = Ba、Sr、Ca、Mg;x = 0,,,
,),并在 1450°C 烧结温度下制备成电解质,以研究不同掺杂元素以及同种
元素不同掺杂量对材料电导率的影响。结果表明:(1)当掺杂同一种元素时,不论
其离子半径大小,-2x/3Ax(SiO4)6O2 的电导率随着元素的掺杂量增大而降低,表明
了 Ln 位阳离子空位对材料电导率的影响,比 Ln 位阳离子的掺杂而增加部分氧离子
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进入间隙对材料电导率的影响更大,合适的 Ln 位阳离子空位更有利于提高材料的电
导率;(2)对于 -2x/3Ax(SiO4)6O2,当采用同价的碱土金属掺杂时,电导率与掺
杂离子半径的有较大关系。当掺杂离子半径大于 La 离子时,若有合适的阳离子空位,
掺杂后的导电率会大于 (SiO4)6O2;当掺杂离子半径小于 La 离子时,不论此时
阳离子的空位有多少,掺杂后的导电率都会小于 (SiO4)6O2 。由此可见,
(SiO4)6O2 掺杂后的电导率的变化受阳离子空位多少和掺杂后晶格常数的综合影
响,其中阳离子空位对电导率的影响要更大。
第三,研究并合成了在 Si 位 Ga 、 Al 、 B 掺杂及不同组分的
+x/3(SiO4)6-x(AO4)xO2(A = Ga,Al,B;x = 0,,,,)电解质样品。
经过电导率的测量,结果表明:(1)掺杂离子半径为大于 Si 的 Ga 或者 Al 元素时,掺
杂后使电导率有较大的增加;(2)当掺杂元素为离子半径小于 Si 的 B 时,适量的掺杂
量可以略微增加其电导率;(3)总体看来,+x/3(MO4)6O2 磷灰石材料中,在
M 位采用低价大离子半径元素适当掺杂后可以使其电导率增大很多;而在 M 位采用
低价小离子半径元素适当掺杂后可以略微增加其电导率。
再者,研究了采用固相法合成 +x/3()6-x(GaO4)xO2(x=0,,,
)粉体的工艺,同时还合成了 ()5(AO4) O2(A = Al,B),并制备
成电解质。经过电导率测量,结果表明:(1)同时引入适量的 Ge、Ga 后,电导率较
单独 Ge、Ga 的加入要增大许多;(2)当引入 Ge 时,同时也引入离子半径小于 Si 的
掺杂元素 B,如适量的掺杂可以略微增加其电导率;(3)同时引入