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BaZrO3基质子导体具有良好的化学稳定性和晶粒电导率,但其烧结性能差(>1700℃)、总电导率低;BaCeO3基质子导体具有较高的质子电导率,但在CO2/H2O气氛中稳定性较差,易发生分解。本论文在详细研究两者各自优缺点的基础上,以BaZrO3为主体,制备了Y掺杂的BaZrO3-BaCeO3复合基体材料。采用ZnO为烧结助剂,降低了质子导体的烧结温度,提高了烧结密度。进一步选择合适的无机盐作为第二相添加剂,制备了锆铈酸盐/无机盐复相质子导体,并对它们的各项性能进行了表征。
采用高温固相法制备了Ba(Zr1-xCex)0.9Y0.1O2.95(BZCY)(x=0.1、0.2、0.3)系列粉体,在1600℃,保温4h的条件下,得到了BZCY系列质子导体。实验结果表明,x=0.3时制备的BZCY3试样具有较高的质子电导率,800℃电导率最大值为5.87x10-3S/cm。
以ZnO为烧结助剂,探索了ZnO(≤4mol%)添加量对BZCY3材料烧结性能和电性能的影响。研究表明,添加2 mol%ZnO可以使材料的烧结温度降低150℃,且烧结密度达到96%以上。
选择NaCl作为第二相无机盐,制备了BZCY3-Z2/NaCl系列复相质子导体。研究结果表明,1400℃烧结6h,添加10mol%NaCl制备的BZCY3-Z2-C110质子导体具有较好的质子传导性,其电导率(1.26×10-2S/cm)大于BZCY3-Z2。同时又选择Na2S04作为第二类无机盐,制备了BZCY3.Z2/NaES04复相质子导体,结果表明添加20%Na2SO4的BZCY3-Z2/S20质子导体在1370℃/2h条件下烧结后具有相对较好的性能。两个系列复相结构的质子导体依然保持了立方钙钛矿的结构,无机盐以熔融状态分布于晶界上,对降低晶界势垒具有促进作用。