[發(fā)明專利]一種鈧和鈰混合摻雜氧化鋯粉體及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410363237.6
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104387059A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設計）人: 韓敏芳;杜曉佳;丁佐龍;黃彭年
• 申請（專利權）人: 蘇州華清京昆新能源科技有限公司
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/626
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技術領域

本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池領域，特別涉及一種用于固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的鈧和鈰混合摻雜氧化鋯粉體及其制備方法。

背景技術

未經(jīng)摻雜的ZrO₂不具導電性，隨溫度的上升由單斜相向四方相及立方相轉(zhuǎn)變并伴隨有體積變化。然而用二價或三價氧化物摻雜ZrO₂，可以在室溫下獲得穩(wěn)定的立方相或四方相，同時當用低價態(tài)的離子Sc³⁺或Y³⁺置換ZrO₂中的Zr⁴⁺時，產(chǎn)生過剩負電荷，為保持電中性，晶體中形成相應的帶正電荷的氧空位，正是這樣形成的氧空位導致了氧化鋯相當?shù)碾x子導電能力，從而廣泛應用為SOFC電解質(zhì)材料。

在摻雜氧化鋯基電解質(zhì)中，Sc₂O₃摻雜ZrO₂(ScSZ)具有最高的電導率，例如在800℃時，11ScSZ的電導率為0.12S/cm,遠遠高于8YSZ的電導率0.03S/cm，但是由于11ScSZ在高溫處理后經(jīng)常會出現(xiàn)低電導率的β相，因此CeO₂、Gd₂O₃、CaO、Y₂O₃、Al₂O₃等通常作為相穩(wěn)定劑，與Sc₂O₃共摻雜ZrO₂，有助于抑制ScSZ中高電導率的立方結構c相向低電導率的菱形β相轉(zhuǎn)變，其中，10mol％Sc₂O₃和1mol％CeO2摻雜的ZrO₂(10Sc1CeSZ)在退火處理后表現(xiàn)出最高的離子導電性和很好的穩(wěn)定性。

近年來，鈧和鈰混合摻雜氧化鋯粉體(以下簡稱10Sc1CeSZ)電解質(zhì)由于具有較高的電導率，且經(jīng)高溫燒結后其立方結構c相能夠穩(wěn)定到室溫的優(yōu)異特性，因此被廣泛用作中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的電解質(zhì)材料。但是，由于鈧、鋯離子半徑太接近而導致10Sc1CeSZ電解質(zhì)燒結活性較差，因此需選用一種合適的粉體制備方法。目前，國內(nèi)10Sc1CeSZ粉體的制備僅處于實驗室少量的合成，所制備的粉體雖然也具有立方螢石結構以及良好的燒結活性，但是所采用的方法，要么工藝復雜、不易控制、比較費時，對設備及原料要求較高，制備成本也相應的提高，要么就是對環(huán)境造成嚴重的污染，均不適宜用于規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。電解質(zhì)作為SOFC的最為關鍵的材料，適于規(guī)模化的生產(chǎn)10Sc1CeSZ粉體的制備工藝技術的開發(fā)，必定會強力推動SOFC的技術開發(fā)及其商業(yè)化。

目前關于10Sc1CeSZ粉體的制備方法有很多，常見的方法為共沉淀法，但是共沉淀的前驅(qū)體在干燥和煅燒階段容易產(chǎn)生硬團聚，因此又發(fā)展了超臨界干燥法、共沸蒸餾法等，但是需要較復雜昂貴的設備，增加了制備成本，因此很難得到廣泛的應用。而水熱法是直接從沉淀前驅(qū)體的液相中結晶出10Sc1CeSZ納米粉體，可以避免煅燒過程中產(chǎn)生硬團聚，所合成的納米粉體具有較大的比表面積，可以有效的降低燒結溫度，這是因為顆粒尺寸減小，燒結時物質(zhì)擴散的路徑短，質(zhì)量傳遞速度變快，從而導致燒結溫度降低；同時材料的顆粒尺寸減小到納米級，納米顆粒具有較大的比表面能，導致燒結的驅(qū)動力增加，降低了燒結溫度；此外，納米材料顆粒晶界上往往有許多位錯、層錯、晶格扭曲等缺陷，缺陷的存在也能促進瓷體在燒結過程中的致密化。但是，目前流延工藝被廣泛應用于SOFC電解質(zhì)薄膜的批量制備，而由此工藝制備的納米粉體具有較大的比表面積，不適宜用于流延工藝，因此需要對該工藝進行合理的優(yōu)化，以獲得具有合適比表面積且有較好燒結活性的10Sc1CeSZ粉體。

為了探索10Sc1CeSZ粉體的批量生產(chǎn)工藝，選用了有希望實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)、且粉體性能良好的水熱法合成10Sc1CeSZ粉體，對粉體的物相結構、微觀形貌、粒度分布、燒結性能、電性能等進行了研究，通過優(yōu)化水熱合成10Sc1CeSZ納米粉體的工藝條件，將粉體在不同溫度煅燒，制備不同粒徑的10Sc1CeSZ粉體，考察經(jīng)不同溫度煅燒后的粉體性能。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種鈧和鈰混合摻雜氧化鋯粉體及其制備方法，即通過優(yōu)化水熱法合成10Sc1CeSZ粉體的工藝，以獲得適合流延工藝并具有較好燒結活性的具有適合比表面積的10Sc1CeSZ粉體，并實現(xiàn)10Sc1CeSZ粉體的工業(yè)化生產(chǎn)以滿足市場對于SOFC中對10Sc1CeSZ粉體制備的高效電解質(zhì)材料的需求。