LaYO<,3>基陶瓷的合成及其电性能研究

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自从1981年Iwahara报道了钙钛矿型固体氧化物SrCeO3基陶瓷具有良好的质子导电性以来,很多高温质子陶瓷相继被发现。这类高温质子导体是一类重要的功能材料,在固体氧化物燃料电池,氢气传感器,水蒸气电解器,氢的电解制备、分离和提纯,有机物的氢化和脱氢,常压合成氨等电化学装置及薄膜反应器方面有着重要的应用价值和广泛的应用前景。至今,关于掺杂LaYO3导电性仅有少数报道。1980年,Iwahara报道了在La位掺Ca或Ba的LaYO3陶瓷在含氢气及水蒸气气氛中具有质子导电性。Alcock报道了在La位掺Sr的LaYO3陶瓷,在低氧分压中是纯的氧离子导体,在高的氧分压中是P-型半导体,但没有质子导电性。Ruiz-Trejo报道了La1-xSrxYO3-α在低于550℃时具有质子导电性。但是,至今对于掺Sr的LaYO3陶瓷在6001000℃下的质子导电性尚未见报道,而对于其在600℃以下的质子导电性尚未得到充分的证实。本文用高温固相法合成了La1-xSrxYO3-α(x = 0.00,0.05,0.10,0.15)系列陶瓷样品,同时作为比较采用溶胶-凝胶法合成了电性能最好的La0.95Sr0.05YO3-α样品,采用多种电化学方法研究了各样品导电性能及其变化规律。粉末XRD结果表明两种方法合成的样品均为单一单斜晶钙钛矿相结构。以制备的陶瓷样品为固体电解质,多孔性铂为电极,分别采用交流阻抗谱、气体浓差电池和电化学氢分子透过实验方法测定和研究了样品在400~1000℃下各种气氛中的导电性能;测定并比较了各样品的氢-空气燃料电池性能;以溶胶-凝胶法合成的La0.95Sr0.05YO3-α样品为电解质成功地进行了常压条件下氨的合成。主要研究内容及结论如下:(1)固相法合成的La1-xSrxYO3-α系列样品,随着掺杂量的增大,电导率先增大后降低,电导率的大小次序为:σx = 0.05x = 0.10x = 0.15x = 0.00。1000℃下,x = 0.05的样品电导率为:0.018 S·cm-1(空气中),0.0077 S·cm-1(湿润空气中),0.00455 S·cm-1(氢气中)和0.00464 S·cm-1(湿润氢气中)。(2)掺杂样品氧分压与电导率关系的测试,表明各掺杂样品在高氧分压气氛中为离子(质子+氧离子)和空穴的混合导体,在低氧分压气氛中为离子(质子+氧离子)导体。(3)掺杂样品的氢浓差电池电动势的测试,表明各掺杂样品在氢气气氛中为纯离子导体;氢泵测试结果表明各掺杂样品在氢气气氛中质子导电占主导;氧浓差电池测试表明各掺杂样品在干燥的氧化性气氛中是氧离子和空穴的混合导体;结合水蒸气浓差电池及氧浓差电池的测试结果,表明各掺杂样品在湿润的氧化性气氛中是质子、氧离子和空穴的混合导体。(4)测试了固相法合成的系列样品的氢-空气燃料电池输出性能。在本研究的样品中,以La0.95Sr0.05YO3-α样品为电解质、以Ag/Pd为电极材料的燃料电池具有最高的电池输出性能,1000℃时,其最大输出电流密度为366 mA·cm-2,最大输出功率密度为86 mW·cm-2。(5)以溶胶-凝胶法制备的La0.95Sr0.05YO3-α陶瓷样品为固体电解质,以多孔性铂为电极材料,由氮气和氢气成功地进行了常压条件下氨的合成,氨气最高产生速率为9.83×10-10 mol·s-1·cm-2
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