[發明專利]一種共摻雜磷灰石結構陶瓷材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201310344398.6
• 申請日: 2013-07-30
• 公開（公告）號: CN103449815A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 曹曉國;張海燕
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C04B35/50
• 分類號: C04B35/50;C04B35/16;C04B35/447;C04B35/622
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技術領域

本發明屬于功能材料領域，涉及一種共摻雜磷灰石結構陶瓷材料及其制備方法，，通過對磷灰石結構材料M₁₀(XO₄)₆O_2±δ的M、X位同時摻雜其它元素，顯著提高其導離子性能和燒結性能，所制備的共摻雜磷灰石結構陶瓷材料可應用于固體氧化物燃料電池、氧傳感器、透氧膜、氧泵等領域。

背景技術

近年來，導離子陶瓷材料引起了化學材料及物理等領域的科學工作者的廣泛關注，該類材料可以應用于固體氧化物燃料電池(SOFCs)和氧傳感器，也可以用作從含氧混合氣中選擇性分離氧的膜材料，此類膜即稱為混合導電型透氧膜。將其應用于膜反應器為高溫氧化反應，如甲烷部分氧化制合成氣(POM)反應、氧化偶聯(OCM)反應動態提供氧，可以簡化操作過程、降低操作費用。

目前主要研究和開發的導離子陶瓷材料有具有螢石結構的ZrO₂基、CeO₂基和Bi₂O₃基電解質，以及具有鈣鈦礦結構的LaGaO₃基電解質。由于上述各種電解質材料都存在某些方面的不足，促使人們開發新的電解質材料。由于磷灰石結構電解質具有低溫電導率高、在很寬的氧分壓范圍內為純氧離子導電、化學穩定性高等優點，其做為導離子陶瓷材料，尤其SOFCs電解質材料已受到廣泛關注。自從Nakayama等人報道具有磷灰石結構的La_9.33+x(SiO₄)₆O_2+3x/2在中低溫具有很高的氧離子電導率以來，許多研究工作者在磷灰石結構電解質材料的合成、摻雜和結構方面做了許多研究工作。結合摻雜磷灰石結構電解質材料的特點及國內外研究現狀，為實現其在SOFCs、氧傳感器等領域中的商業化應用，需加強以下兩方面的研究：降低磷灰石結構電解質的合成、燒結溫度；加強對磷灰石結構電解質的摻雜研究，進一步提高其導離子性能。

發明內容

本發明的第一目的是提供一種共摻雜磷灰石結構陶瓷材料，其具體描述如下：

在磷灰石結構材料M₁₀(XO₄)₆O_2±δ的M、X位同時摻雜其它元素，制備共摻雜磷灰石結構陶瓷材料-M_10-xA_xX_6-yB_yO₂₇-_(x+y)/2。

上述共摻雜磷灰石結構陶瓷材料中M為元素La、Pr、Nd、Sm、Gd、Ce、Tb、Er、Yb或Dy；X為元素Si、Ge或P；A為元素Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Ni、Cu、Mn或Bi；B為元素B、Al、Ga、Zn、Mg、Ti、Ge、Fe、Co、Ni、Cu、Mn或P。

上述共摻雜磷灰石結構陶瓷材料中M位摻雜A元素的量x的范圍為0＜x≤0.67；X位摻雜B元素的量y的范圍為0＜y≤2。

本發明的第二目的是提供一種制備共摻雜磷灰石結構陶瓷材料的制備方法，技術方案為：

將原料按摩爾比的比值稱量，置于球磨罐中，以無水乙醇或丙酮為分散劑，采用滾筒球磨或高能球磨方式球磨，然后在烘箱中烘干，將烘干后的混合粉體置于馬弗爐中煅燒，將煅燒后的粉體再按以上步驟球磨、烘干，即得所需的共摻雜磷灰石結構陶瓷粉體。然后將所制粉體成型，并置于馬弗爐中燒結，即得所需的共摻雜磷灰石結構陶瓷材料。

上述所用原料為權利要求2所述的M、X、A和B所指的元素的氧化物或碳酸鹽。

上述材料球磨時間為0.25～48h。

上述混合粉體在馬弗爐中的煅燒溫度為900～1500℃，煅燒時間為0.25～36h。

上述共摻雜磷灰石結構陶瓷材料的成型方法為干壓成型法、等靜壓成型法、注漿成型法、流延成型法和可塑成型法中的一種。

上述共摻雜磷灰石結構陶瓷粉體成型后在馬弗爐中的燒結溫度為1450～1850℃，煅燒時間為0.5～36h。

在維持M₁₀(XO₄)₆O_2±δ磷灰石晶型結構穩定的前提下，對M、X位同時摻雜其它元素，可同時增加晶型結構中的間隙氧和增大氧離子的傳導通道，即提高導離子性能，另外通過共摻雜可提高其燒結性能，有利于制備結構致密磷灰石結構材料。

具體實施方式