[發明專利]基于太赫茲時域光譜技術測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率和活化能的方法及應用

在審

• 申請號: 202211496700.5
• 申請日: 2022-11-25
• 公開（公告）號: CN115993341A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發明（設計）人: 申素玲;歐陽征標;劉強;張馳
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;G01N21/01
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 王鴿

本發明公開了基于太赫茲時域光譜技術測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率和活化能的方法及應用，屬于鈣鈦礦金屬氧化物粉末電導率測試技術領域，包括以下步驟：S6、測定太赫茲波時域信號，進行快速傅里葉轉換得到鈣鈦礦金屬氧化物薄片參考頻域信號；S7、將鈣鈦礦金屬氧化物薄片參考頻域信號與參考頻域信號進行相除以得到實驗透射系數；S8、根據實驗透射系數，求解鈣鈦礦金屬氧化物薄片的介電常數；S9、根據鈣鈦礦金屬氧化物薄片的介電常數，求解鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率。采用該方法，能夠測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率，進而計算出活化能，能夠用于解釋鈣鈦礦金屬氧化物導電性能的微觀機理。

技術領域

本發明屬于鈣鈦礦金屬氧化物粉末電導率測試技術領域，具體涉及基于太赫茲時域光譜技術測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率和活化能的方法及應用。

背景技術

近年來，具有電子和氧離子混合導電性能的鈣鈦礦基陽極材料引起了廣泛的關注。然而目前對諸多陽極材料導電性能的研究尚停留在用摻雜和結構優化等方法來提升材料的電子導電性能的階段，而對于其氧離子導電性能卻很少被研究(Yang?G,Feng?J,SunW,et?al.Journal?of?Power?Sources,2014,268:771-777.和Wang?Y,Li?P,Li?H,etal.Fuel?Cells,2014,14:973-978.)，挑戰在于氧離子導電性與多種材料特性參數存在復雜的構效關系；實際工作在高溫、復雜還原性氣氛條件下，難以實現氧離子電導原位測量，技術難度大；受電子電導干擾、樣品制備條件限制，傳統阻抗測試與非原位電學四端子電導測試技術無法精準測量和評價氧離子導電性能，重復性差，精度低。而實際上，氧離子導電性能的精準量化以及電導性能與材料化學性質對陽極材料的材料設計十分重要。因此，現階段亟待開發具有低損傷、非接觸式、高精度的，基于電荷傳導機理過程的氧離子電導測試技術，并準確建立其氧離子電導與材料本征晶格物理特性的關系。

鈣鈦礦等金屬氧化物的氧離子導電機理通常被公認為是氧離子在材料晶格間躍遷過程，請參閱圖4所示，一般情況下，位于晶體中陽離子亞晶格的受主摻雜會產生氧空位，在高溫下鄰近的氧離子可以躍遷到該空位，這種勢壘的能量被稱為遷移能，它是氧離子本征電導的重要參數。然而，即使在SOFC的工作溫度下，一些氧空位也可能形成缺陷簇并停留在受主摻雜附近的特定位置，缺陷團簇的穩定性用結合能來表示，結合能強烈地調節了受主長程勢的形狀，而長程勢(也稱為激活能E_a^low)是遷移能和結合能之和，如圖5所示，可以使用傳統的低頻(MHz)阻抗測量來計算。

鑒于此，太赫茲技術作為一種新型的先進表征技術，可以實現高分辨、大穿透深度、無接觸檢測，這些特點使其在表征SOFC陽極催化劑中氧離子導電性能方面具有獨特的優勢：比如1THz太赫茲波的光子能量大約只4毫電子伏，不會對催化材料造成電離傷害；太赫茲波的時域脈沖是皮秒量級所以其時間分辨率高，適合應用于對催化劑氧離子跳躍的瞬態光譜研究；太赫茲波對于很多非極性介電材料具有良好的穿透性，這對透過電池窗口對催化材料進行原位太赫茲表征創造了條件。(Li?J,Wilson?C?B,Cheng?R,Lohmann?M,Kavand?M,Yuan?W,Aldosary?M,Agladze?N,Wei?P,Sherwin?M?S,Shi?J.Nature?2020；578:70–74；Tonouchi?M.Nat.Photonics,2007；1:97-105.)。

發明內容

為了克服現有技術中的上述不足，本發明的目的之一在于提供一種基于太赫茲時域光譜技術的測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率的方法，能夠測量鈣鈦礦金屬氧化物粉末的氧離子電導率，進而計算出活化能，能夠用于解釋鈣鈦礦金屬氧化物導電性能的微觀機理。

本發明的目的之二在于提供鈣鈦礦金屬氧化物粉末的活化能的測定方法，根據計算得到的活化能能夠反映鈣鈦礦金屬氧化物中的氧離子的本征傳輸能壘，也就是氧離子躍遷所需要克服的最小能壘。