高温质子导体的制备及其性能研究

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钙钛矿型高温质子导体由于具有十分重要的应用价值及广泛的应用前景,引起人们的广泛关注。 本文分别采用了高温固相法、溶胶凝胶法和溶胶凝胶燃烧合成法制备SrCe0.95Yb0.05O3-α高温质子导体,并对其进行了改进和比较。溶胶凝胶法采用的合成温度为1000℃,烧结温度为1300℃,制得了相对密度超过97%的多晶陶瓷,相比传统高温固相法温度降低约300℃。 本文研究了不同掺杂量对材料结构的影响。所制备的SrCe1-xRExO3-α(RE=Yb、Y,x=0~0.20)系列粉体均为斜方晶钙钛矿型结构,(112)面上阴阳离子间距,晶格和单胞体积均有不同程度的改变。单胞体积除SrCe0.95Y0.05O3-α增大外,其余均减小。SrCe1-xYbxO3-α(x=0.05~0.20)系列样品中,SrCe0.95Yb0.05O3-α晶格变形最大,单胞体积最小。 本文采用紫外可见吸收光谱研究了相应体系烧结前后粉体的电子导电能力的强弱。1)烧结前,对SrCe1-xYbxO3-α(x=0.05~0.20)系列,无论水蒸气处理与否,SrCe0.95Yb0.05O3-α的电子跃迁能级均最大,电子导电能力最差。同样SrCe1-xYxO3-α(x=0.05~0.20)系列,无论水蒸气处理与否,SrCe0.95Y0.05O3-α的电子导电能力亦最差。水蒸气处理后,大部分样品电子导电能力下降,是因为样品与水蒸气反应,消耗电子空位。2)烧结后,SrCe1-xYbxO3-α(x=0.05、0.10和0.15)系列的电子跃迁能级由原来的两个变成一个,电子跃迁能级比烧结前减小,其中SrCe0.90Yb0.10O3-α的电子跃迁能级相对最大,水蒸气处理后也是如此。水蒸气处理后,各个样品的电子跃迁能级减小。以上变化是由于烧结后晶格扭曲程度增加,晶粒增大及其内含的杂质所致。 本文也研究了水蒸气处理过程中材料的热稳定性。研究认为在经过水蒸气处理后材料中包含了表面吸附水、晶界水和晶格水。样品SrCe0.90Y0.10O3-α、SrCe0.85Y0.15O3-α、Sr0.90Ce0.95Y0.05O3-α和SrCe0.95Y0.05O3-α在加热下均有不同程度的失重,且明显分为两个阶段:第一阶段对应着表面吸附水的释放,第二阶段对应着晶格和晶界水的释放。通过热力学分析表明晶格水逆整合过程分为两步,每步的活化能分别为4.95kJ·mol-1,1.98kJ·mol-1。
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