摻雜A2B2O7型陶瓷的有序無序轉變與離子傳輸特性關聯研究

《摻雜A2B2O7型陶瓷的有序無序轉變與離子傳輸特性關聯研究》是依託哈爾濱工業大學，由歐陽家虎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：摻雜A2B2O7型陶瓷的有序無序轉變與離子傳輸特性關聯研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：歐陽家虎

項目摘要

摻雜A2B2O7型陶瓷是潛在的中溫固體電解質材料，同時具有有序燒綠石型和無序缺陷型螢石相結構，氧空位缺陷濃度、有序無序轉變、相界面結構等對其熱膨脹性能和電學性能有重要的影響，電導率的最大值在短程無序的燒綠石相內，因此對有序無序轉變行為與離子傳輸特性之間的內在關係進行研究具有重要的科學意義。本項目擬從摻雜A2B2O7型陶瓷材料的設計、氧空位濃度的計算和有序無序轉變研究入手，通過不同氧分壓氣氛燒結及A、B位不同價態陽離子摻雜等手段製備不同類型的陽離子摻雜A2B2O7陶瓷，在研究其物相及界面結構、熱膨脹性能和電學性能的基礎上，闡明燒綠石型A2B2O7陶瓷中短程無序化轉變和缺陷螢石型A2B2O7陶瓷中的短程有序化轉變及其機制，揭示氧空位濃度、有序無序轉變與熱膨脹性能及離子傳輸性能之間的內在聯繫，為高性能摻雜A2B2O7型陶瓷在中溫燃料電池方面的套用提供理論指導。

結題摘要

摻雜A2Zr2O7陶瓷是具有廣泛套用前景的中溫固體電解質材料，具有有序燒綠石型和無序缺陷螢石型結構，氧空位缺陷濃度、有序無序轉變、相界面結構對其電學性能和熱膨脹性能等有重要影響。因此，通過摻雜改性、改變氧空位濃度可調控A2Zr2O7陶瓷的離子傳輸特性，研究有序無序轉變行為與離子傳輸特性之間的內在關係具有重要的科學意義。本項目從摻雜A2Zr2O7陶瓷的設計、氧空位濃度的計算和有序無序轉變研究入手，通過不同氧分壓氣氛燒結及A、Zr位不同價態陽離子摻雜等手段製備不同類型的陽離子摻雜A2Zr2O7陶瓷，在研究其物相及界面結構、熱膨脹性能和電學性能的基礎上，揭示氧空位濃度、有序無序轉變與熱膨脹性能及離子傳輸性能之間的內在聯繫，為高性能摻雜A2Zr2O7陶瓷在中溫燃料電池方面的套用提供理論指導。根據Brouwer近似和電中性條件，對A位和Zr位摻雜不同價態元素後的氧空位濃度隨氧分壓變化的關係進行計算設計，發現隨氧分壓降低所得材料的氧空位濃度增大。異價陽離子摻雜引起的缺陷化學反應對氧空位濃度有直接影響。添加合適的燒結助劑如NiO、ZnO或 Fe2O3等，可大幅提高A2Zr2O7陶瓷的燒結緻密化過程，降低燒結溫度200oC，同時保持高的氧離子導電性。添加1wt.% NiO、ZnO燒結助劑，GdSmZr2O7陶瓷仍為燒綠石結構；而Fe2O3與GdSmZr2O7陶瓷發生反應生成少量第二相Gd0.5Sm0.5FeO3。綜合採用X射線衍射、高分辨電鏡、選區電子衍射和拉曼光譜等手段，揭示了A2Zr2O7陶瓷燒綠石相的短程無序化轉變和缺陷螢石相的短程有序化轉變與機制。摻雜A2Zr2O7陶瓷的平均線膨脹係數與8YSZ相比略有升高。摻雜A2Zr2O7陶瓷的晶粒電導率與單胞自由體積和結構的有序化程度有關。在位於燒綠石相與缺陷型螢石相的邊界附近有序度較低的燒綠石相的晶粒電導率最大。真空燒結部分有序(Sm0.5Gd0.5)1.95Yb0.05Zr2O7陶瓷在1173K時電導率為1.16×10–2S•cm–1。通過對比不同氧分壓下的電導率或者氧濃差電池闡明了摻雜A2Zr2O7陶瓷的導電機理，發現在不同氧分壓測試條件下A位摻雜A2Zr2O7陶瓷的總電導率不隨氧分壓的變化而變化，仍為純氧離子導體。計算發現Zr位摻雜Nb使氧空位減少，但由於引入質子電導，1173K下電導率提高至1.41×10–2S•cm–1。