[發明專利]復相結構鋯酸鋇質子導體及其制備方法

無效

• 申請號: 201110047077.0
• 申請日: 2011-02-28
• 公開（公告）號: CN102180667A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 郭瑞松;任建勛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/622
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明屬于陶瓷材料技術領域，特別涉及復相結構鋯酸鋇質子導體材料及其制備方法。

背景技術

鈣鈦礦型質子導體是一類新的導體材料，可廣泛應用于質子陶瓷燃料電池(PCFC)的電解質材料、氫氣分離、氫氣傳感器、加氫脫氫反應等。Iwahara等人于1981年報道了摻雜鈣鈦礦型鈰酸鹽和鋯酸鹽質子導電性以及機理研究[Iwahara?H，Esaka?T，Uchida?H，et?al.Proton?conduction?in?sintered?oxides?and?its?application?to?steam?electrolysis?for?hydrogenproducti

相對于鈰酸鹽質子導體，鋯酸鹽質子導體雖然質子電導率較低，但是它的穩定性很好，如果對它進行均相摻雜與異相復合兩條途徑同時改性，能使其電導率提高到10^-2S/cm以上，則它的應用前景和意義非常顯著。由于鈣鈦礦質子導體日益受到關注，攻克鋯酸鹽低導電性難題迫在眉睫。本發明提出對鋯酸鋇采用新的均相摻雜物(Sc₂O₃)以及新的異相復合物質(氟化物)，制備新的復相結構鋯酸鋇質子導體材料。通過微觀結構設計和控制，對其制備進行研究，使異相復合物均勻分布在晶界，形成復相結構，解決晶界對于材料電導率的制約，實現性能突躍，以期提高復相結構質子導體的電導率，使該材料進入實用化階段。此方面的研究工作迄今還未見相關的報道。

發明內容

本發明選擇了結構穩定、具有較高晶粒電導的摻雜鋯酸鋇質子導體為基體，通過添加ZnO燒結助劑以降低燒結溫度，再添加氟化物，均勻分布在晶界，形成復相結構，增強界面質子傳導，對其制備進行研究，以期提高復相結構質子導體的電導率。

本發明的技術如下：

復相結構鋯酸鋇質子導體的組成和摩爾含量如下：

以5～30％摩爾Sc₂O₃摻雜的BaZrO₃為基體，然后外加1～10％摩爾ZnO和5～50％摩爾CaF₂或BaF₂或NaF。其中ZnO為燒結助劑，氟化物為具有質子導電性的無機鹽，均勻分布在晶界處，起到改善晶界電導的作用。

本發明的復相結構鋯酸鋇質子導體的制備方法，是將BaCO₃∶ZrO₂∶Sc₂O₃為1∶1∶0.05～0.30摩爾配料，以水為介質球磨混合4～10小時，經干燥、研磨、過篩，在1200～1400℃煅燒4～12小時，得到Sc₂O₃摻雜的BaZrO₃基體材料；然后以基體材料為基準，外加1～10％摩爾的ZnO，球磨混合4～10小時，再經干燥、研磨、過篩后，再以基體材料為基準，加入5～50％摩爾CaF₂或BaF₂或NaF，研磨至混合物到均勻；將混合料裝入模具進行干壓成型，壓力為50～120MPa，再經過200～350MPa等靜壓；在1200～1500℃在空氣氣氛中燒結，升溫速率2～10℃/分鐘，保溫2～10小時，然后自然冷卻至室溫，制得復相結構鋯酸鋇質子導體材料。

本發明制備了優良導電性能的復相結構鋯酸鋇質子導體材料，為開發氫氣和水蒸氣傳感器、氫泵和濃差電池電解質材料奠定了基礎。本發明提出Sc₂O₃均相摻雜和在晶界中引入具有質子導電性的氟化物，通過復合和燒成控制，使其均勻分布以改善晶界特性，在工作溫度下鹽類物質熔融轉變為超離子相，提高質子遷移速度，同時晶界異相界面上形成空間電荷，增強界面質子傳導，提高材料電導率，如圖1所示。

本發明所提供的制備方法簡單，成本低廉。本發明提出對鋯酸鋇質子導體同時進行復相結構和摻雜改性的新思路，通過微觀結構設計和控制，通過適當的復合工藝，解決晶界對于材料電導率的制約，實現電導率性能的突躍，預期使材料電導率達到10^-2S/cm以上，為開發氫氣和水蒸氣傳感器、氫泵和濃差電池電解質材料奠定了基礎。

附圖說明

圖1：添加不同氟化物電導率曲線圖。

具體實施方案

實施實例1