微波辅助Sol-gel法制备La0.7Ca0.3CrO3-δ超细粉体及其烧结性能的研究

铬酸镧是最有希望的固体氧化物燃料电池陶瓷连接材料,但存在空气中烧结活性差、中温电导率低等缺陷。利用微波辅助Sol-gel工艺成功制备了La0.7Ca0.3CrO3-δ高活性超细粉体,粉体粒径分布集中,900℃煅烧后的粉体在1400℃空气中烧结4h获得了高达96.3%的相对密度。烧结体具有优良的电导性能,850℃达到63.6S/cm,远高于文献报道值,完全能够满足中温燃料电池(IT-SOFCs)的使用要求。     

CeO_2掺杂对La_(0.7)Ca_(0.3)CrO_(3-δ)低温烧结及电导性能的影响

LaCrO3基固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料存在难以在空气中致密化烧结、中温电导率差等缺陷。本文利用自燃烧工艺(auto-ignition process)制备La0.7Ca0.3CrO3-δ高活性粉体,掺入2%～8%(质量分数)CeO2作为烧结助剂,在1 400℃空气气氛下烧结获得了95.4%以上的高致密度,并且随着CeO2掺杂量的增加晶粒逐渐细化;掺入2%CeO2时La0.7Ca0.3CrO3-δ烧结样品的电导率最高,在空气中850℃达到52.7Scm-1,500℃时也能达到41.9Scm-1,约为同等条件下未掺杂La0.7Ca0.3CrO3-δ电导率的2.5倍,完全能够满足中温固体氧化物燃料电池连接材料的使用要求。     

微管SOFC复合支撑体NiO/La0.7Ca0.3CrO3-δ的相转化纺丝法制备与性能

采用固相反应法合成La_(0.7)Ca_(0.3)CrO_(3-δ)(LCC)粉体,用相转化纺丝法制备NiO/LCC (1∶1)中空纤维膜,1400℃空气中烧结作为微管固体氧化物燃料电池的复合支撑体。借助粒度分析仪、热分析仪、X射线衍射仪、扫描电镜、四端子测量仪、热膨胀仪、万能材料试验机等对复合支撑体的粉体粒度、烧结性能、致密度、断面微结构、电导性能、热膨胀性能和抗弯强度进行分析。结果表明:LCC与NiO粉体在1400℃的电池共烧温度下化学性质稳定,烧结性能良好。微管断面总体呈现表面皮层和内部双层径向平行排列且均匀分布的手指状孔隙结构,孔隙率达到60.6%,还原后的孔隙率增加到68.1%。纯H_2中的电导率随温度升高而降低,700℃时达到10.8S·cm~(-1)。还原前后的抗弯强度分别为39.6MPa和33.2MPa,热膨胀系数TEC为12.4×10~(-6)K~(-1),与其他电池材料相匹配。     

La0.7Ca0.3MnO3薄膜微观结构的HRTEM表征

利用透射电子显微镜研究了衬底温度600～800℃条件下采用脉冲激光法在(001)LaAlO3(LAO)衬底上制备的La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)薄膜的微观结构。结果表明薄膜由大量柱状晶组成且与LAO衬底形成良好外延关系。LCMO薄膜与LAO衬底的取向关系可以描述为:(ⅰ)(100)f∥(001)s、[011]f∥[100]s;(ⅱ)(011)f∥(001)s、[100]f∥[100]s。LCMO显示层状畴结构,即在衬底上初始生长的薄膜为(ⅱ)型畴,在此之上生长的薄膜为(ⅰ)类和(ⅱ)类型畴的混合体。薄膜中可观察到一些反向畴与孪晶等缺陷。薄膜与衬底界面少见错配位错,薄膜以Stranski-Krastanov模式生长。     

Gd0.2Ce0.8O2包覆LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极材料抗铬污染性能

应用丝网印刷和共烧结制备LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ (LNF)/Sc_0.1Zr_0.9O_1.95(ScSZ)/LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ 对称电池.以硝酸铈和硝酸钆为原料、柠檬酸为燃料,采用燃烧法制备质量分数为21.3%的Gd_0.2Ce_0.8O₂(GDC)包覆的LNF阴极.电化学阻抗谱(EIS)表明:在750 ℃工作温度下,当无Cr基合金接触时,质量分数21.3%的GDC包覆的LNF经过1 200 h的搁置,其极化电阻由0.13 Ω·cm²增加至0.40 Ω·cm²,而纯LNF经过500 h的搁置,极化电阻由0.70 Ω·cm²增加至2.36 Ω·cm²,GDC的包覆加速了气体/阴极/电解质三相界面反应区的扩散过程,降低了阴极极化电阻;当有Cr基合金接触时,相对于质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极,LNF/ScSZ界面处沉积出大量Cr₂O₃,减缓了活性粒子在三相界面处的扩散,故其极化电阻远大于相同条件下质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极的极化电阻,质量分数为21.3%的GDC包覆的LNF阴极具有较佳的抗铬污染性能.     

过渡金属元素掺杂对Sm0.1Ce0.8Ca0.1O1.9电解质材料性能的影响

采用柠檬酸-硝酸盐燃烧法制备了Sm0.1Ce0.79Ca0.1M0.01O1.9(M=Fe、Co、Ni)及未掺杂的Sm0.1Ce0.8-Ca0.1O1.9电解质粉体,将干压成型后的素坯于设定温度下烧结得到电解质陶瓷片,利用XRD和SEM分别对样品的物相和微观结构进行了表征,得到一些可以参考的研究结果。结果表明,经700℃热处理3h后的粉体以及1250℃高温煅烧的陶瓷体,均呈现单一的立方萤石相结构。SEM显示,过渡金属掺杂的3个样品素坯经过1250℃烧结5h后已经致密,阿基米德排水法测定其相对密度均在95%以上,表明Fe、Co、Ni的掺杂对改善SDC基电解质材料的烧结活性有明显的作用,Fe、Ni元素的添加对材料的电导率无明显影响。     

SOFC阴极材料La0.7Sr0.3Co1-xFexNi0.1O3-δ的制备及其电化学性能探究

采用溶胶-凝胶法制备了La0.7Sr0.3Co1-xFexNi0.1O3-δ(x=0.3～0.6)系列阴极粉体.使用扫描电镜(SEM)观察了粉体形貌,并采用X射线衍射(XRD)和热膨胀仪对其物相结构及热膨胀性能进行探究,发现随着Fe元素掺杂量的增加,晶体结构未发生变化且热膨胀系数下降.进一步对材料进行了电导率测试以及电...     

掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr0.5Nd0.5)0.7M0.3CrO3-δ(M=Sr, Ca)用于SOFC连接材料

采用EDTA-柠檬酸法合成粉体,在1 400℃空气中烧结制备可用作固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料的两种掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Sr_(0.3)CrO_(3-δ)(PNSC)和(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Ca_(0.3)CrO_(3-δ)(PNCC)复合稀土,借助粒度分析仪、热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电镜、四端子测量仪等对连接材料的粉体粒度、致密度、断面微结构、烧结性能、导电性能以及热膨胀性能进行了分析。结果表明,PNCC具有更优的烧结性能,致密化烧结温度区间为900~1 030℃,而PNSC的烧结收缩发生在1 250℃以上。PNCC在1 400℃烧结4h达到97.2%的高致密度,而PNSC致密度只有76.5%,烧结性能与烧结过程中出现的CaCrO4或SrCrO4相有关。材料均遵从小极子导电机理,850℃下PNCC和PNSC的电导率分别达到50.4S·cm~(-1)和40.9S·cm~(-1)。PNCC的热膨胀系数为9.8×10-6 K-1,与YSZ电解质接近。因此,PNCC各项性能优于PNSC,是一种性能优良的固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba1-xSrxCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ的制备与性能研究

采用固相法合成Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)阴极材料。利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和微观形貌进行了表征。XRD测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ样品经1000℃,烧结10 h后形成了立方钙钛矿结构。从样品的电镜照片看出样品具有均匀的孔隙率,电解质(Ce0.85Sm0.15O1.925)-阴极(Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ)之间的界面结合良好。电化学交流阻抗测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ中掺入Sr可以明显地降低阴极的极化电阻,随着Sr含量的增多,阴极的界面极化电阻(RP)先减少后增大,当Sr的含量x为0.2时Rp值最小。以Ce0.85Sm0.15O1.925(SDC)电解质为支撑体,Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极,Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ为阴极的单电池的最大功率密度在600℃时达到155 mW/cm2。实验结果表明Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ材料是一种电化学性能较为优良的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

La0.3Sr0.7Fe0.7Cu0.2Mo0.1O3-δ钙钛矿超细陶瓷粉体制备与催化性能研究

采用溶胶低温燃烧法制备了单一组成的La0.3Sr0.7Fe0.7Cu0.2Mo0.1O3-δ(LSFCM)超细钙钛矿陶瓷粉体。用XRD,SEM以及TA等方法对粉体的物相、形貌、粒度以及导电性能等进行了表征。考察了LSFCM陶瓷粉体对甲烷部分氧化(POM)制备合成气的催化活性与稳定性。结果表明:溶胶燃烧粉末经800℃下煅烧4h可得到平均粒径小于35nm的立方钙钛矿结构LSFCM陶瓷粉体,相对密度为96.7%的LSFCM烧结体在空气气氛600℃温度下电导率达到26.27S·cm-1,在950℃、CH4/O2比为1.5~2.0时,甲烷转化率及一氧化碳与氢气选择性均达到90.0%以上;反应43h后虽产生少量积炭,但仍能保持钙钛矿结构,表明LSFCM粉体对甲烷部分氧化制合成气反应具有良好的催化活性和稳定性。     

中温固体氧化物燃料电池Sr1-xTbxCoO3-δ（x≤0.3）阴极材料的制备与性能研究

以化学计量比的SrCO3、Co3O4和Tb4O7为原料,采用固相法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sr1-xTbxCoO3-δ(STC,x≤0.3),采用XRD、ND、TGA、范德堡直流四探针法和电化学方法对STC的晶体结构、高温失重、电导率、极化电阻以及电池进行了研究。结果表明:Sr0.9Tb0.1CoO3-δ的晶体结构是立方相Pm-3m空间群结构;Sr0.8Tb0.2CoO3-δ和Sr0.7Tb0.3CoO3-δ是四方相I4/mmm结构。在500~800℃时,STC的总电导率(σ)均大于407 S/cm。极化电阻(Rp)和活化能(Ea)随着x的增加而增大。当x=0.1时,STC的氧离子空位浓度最大,具有最好的阴极性能,由其组成的单电池最大功率密度为836 mW/cm2。     

La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ基固体氧化物电解池复合阳极的制备及性能

采用丝网印刷工艺制备了带有SDC阻挡层的固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)基复合阳极,利用动电位扫描及电化学阻抗谱分析考察了该材料在800℃时的电化学性能,电化学阻抗谱的研究表明,O2-在电极发生氧化反应生成O2的反应速率由电极/阻挡层界面的电荷转移、阻挡层/电解质界面的电荷转移以及氧气的解离吸附或在电极表面的扩散等三个电极过程控制.扫描电镜分析表明,经过长时间的电化学测试及升降温,阻挡层与电解质及复合电极部分均结合紧密,无缺陷.通过与传统的LSM-YSZ复合阳极的极化性能的对比,显示出LSCF材料在SOEC阳极领域良好的应用前景.     

Si3N4/W高温共烧陶瓷的制备与研究

氮化硅陶瓷具有良好的热导率与优异的力学性能，在大功率电子器件中具有较好的应用前景。实现氮化硅陶瓷与金属的高温共烧对其在电子器件中的应用具有重要意义。高温共烧技术常用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷和氮化铝陶瓷作为基板材料，鉴于此，本工作以氮化硅陶瓷为基板材料，结合流延成型、丝网印刷以及高温共烧技术制备氮化硅多层共烧组件，探究烧结助剂(Er₂O₃)含量对氮化硅陶瓷性能的影响，并对氮化硅多层组件脱粘工艺、界面结构与成分和导电性能进行分析与讨论。结果表明：Er₂O₃含量为9%(质量分数，下同)时，可得到相对密度、收缩率、热导率和抗弯强度分别为95.35%、10.33%、69.94 W/(m·K)和(807.33±10.34) MPa的氮化硅陶瓷。适用于氮化硅多层组件的脱粘工艺为：在真空下以1℃/min的速率升温到600℃并保温1 h。共烧后氮化硅多层组件中的W层厚度约为7μm, W层与陶瓷层界面明显，既存在机械互锁型结构，也有界面反应发生，产物为W₅Si₃。组件的薄层方阻...     

稀土氧化物La2O3/Y2O3增韧补强ZTA陶瓷材料及其耐磨性能研究

针对单一相ZrO_2增韧Al_2O_3(ZTA)陶瓷在提高韧性的同时不能合理兼顾其耐磨性能,利用稀土氧化物能促进复合陶瓷材料热压烧结的工艺特点,将La_2O_3/Y_2O_3添加到ZTA陶瓷材料中,XRD衍射图谱表明:La_2O_3/Y_2O_3的添加可以有效阻碍ZrO_2不稳态晶型相变,促进介稳态t-ZrO_2的形成。当添加量为4%(质量分数)时,烧结后晶粒分布最为均匀,致密程度高,其维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性分别比相应未添加稀土氧化物的ZTA材料提高了8%、21%、33%,且La_2O_3与Al_2O_3会发生原位反应生成片状LaAl_(11)O_(18),这种片晶不仅可以阻碍Al_2O_3、ZrO_2颗粒长大,还可通过晶粒拔出等增韧机制提高材料韧性。摩擦磨损试验结果表明:稀土氧化物的添加能提高ZTA陶瓷材料的耐磨性能,添加量为4%时其磨损率最低。     

EDTA-柠檬酸络合法制备(Ce0.8Y0.2-xNdxO1.9)0.99（ZnO）0.01电解质材料及其性能研究

采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了(Ce0.8Y0.2-xNdxO1.9)0.99(ZnO)0.01(0≤x≤0.2)系列电解质试样.通过热重、X射线衍射、扫描电镜、热膨胀测试和交流阻抗谱等方法对试样进行分析,着重研究了Y/Nd掺杂配比对CeO2基电解质材料电性能的影响.结果表明:采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备的试样均为单一的立方萤石型结构;添加1mol%的ZnO,在1350℃下能得到较为致密的(Ce0.8Y0.2-xNdxO1.9)0.99(ZnO)0.01系列电解质陶瓷片,其中(Ce0.8Y0.05Nd0.15O1.9)0.99(ZnO)0.01电解质试样表现出最高的离子电导率,其在750℃测试时的离子电导率为58.79 mS/cm;所有试样的热膨胀系数在(11.83~12.30)×10 6/K之间.     

BaO-MnO-B2O3-SiO2密封玻璃与SS410连接极材料之间的化学相容性研究

制备了一系列BaO-MnO-B2O3-SiO2玻璃,通过DIL、XRD、SEM研究了其热膨胀行为、玻璃态转变、析晶行为及其与SS410金属连接极材料之间的反应。结果表明:所得密封玻璃的热膨胀系数约为10×10-6 K-1,与YSZ电解质材料和SS410金属连接极材料较为匹配,所得玻璃在800℃保温10h之后,生成了Ba5Si8O21相为主的微晶玻璃。玻璃的析晶对于密封玻璃与SS410连接极材料之间的化学相容性具有显著影响,析晶之后,玻璃与SS410之间的反应现象减弱。玻璃在N2气氛下进行预析晶处理,形成微晶玻璃之后,与SS410之间的反应显著减少。本研究所得的BaO-MnO-B2O3-SiO2密封玻璃在完成封接之后,在700℃保温100h,能够保持良好的密封效果。     

Mn离子掺杂Pr0.5Ba0.5Fe0.9Mn0.1O3-δ钙钛矿SOEC阴极电解CO2性能研究

固体氧化物电解池(SOEC)电解CO₂时其阴极是CO₂还原反应发生的场所,也是SOEC取得高性能的关键环节。研究了Mn离子掺杂的Pr_0.5Ba_0.5Fe_0.9Mn_0.1O_3-δ(PBFM)钙钛矿材料作为SOEC阴极电解纯CO₂的性能。结果表明在850℃、1.8 V的电解电压下基于PBFM阴极的SOEC电流密度可达1.7 A·cm^-2,较使用未掺杂的Pr_0.5Ba_0.5FeO_3-δ(PBF)阴极提升了约30%;同时,电池的极化阻抗下降约60%,电化学性能增长主要来源于掺杂后氧空位浓度的增加。在800℃、1.3 V恒压的条件下70 h的长期测试中,PBFM电池没有表现出明显的衰减,且长期测试后的电极没有积碳现象。研究证明PBFM是一种有前景的电解CO₂ SOEC阴极材料。     

La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-α的柠檬酸盐法制备和表征

采用柠檬酸盐法制备了La     

阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ合成工艺优化

为了在较低温度下合成具有高纯度的阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ(BSCF),采用X射线、扫描电镜以及能谱分析等方法,研究了共沉淀合成法中溶液pH值和煅烧温度等工艺条件对产物的相结构、组成成分和颗粒形貌的影响.结果表明,pH值的升高使前驱体由草酸盐沉淀向氢氧化物沉淀转化,在pH=10条件下,前驱体1100℃煅烧2 h后形成了单一的立方型钙钛矿型结构,比在pH=6条件下的前驱体煅烧温度降低了约100℃,而且成分配比更为准确.研究认为前躯体溶液的pH值对煅烧产物的组成和形貌影响至关重要,这主要是由于pH值的不同改变了前驱体的组成和颗粒形貌造成的.     

双相质子导体BaCe0.9Y0.1O3-δ/La1.95Ca0.05Ce2O7-δ的制备及性能研究

采用固相反应法成功制备了双相质子导体BaCe0.9Y0.1O3-δ/La1.95Ca0.05Ce2O7-δ(7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7)。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜分别对样品的物相结构、微观形貌进行了表征,对样品在CO2和沸水中的稳定性进行了研究,并应用IM6e型电化学工作站测定了其在空气、氩气、湿润的4%H2/Ar 3种气氛从450～850℃的电导率。实验结果表明,不同比例复合的样品经1500℃烧结后均形成了明显的双相结构且获得了致密的烧结体。随着样品中La1.95Ca0.05Ce2O7-δ比例的增加,其对CO2和沸水的化学稳定性增加。在所研究的各种比例的复合材料中,BaCe0.9Y0.1O3-δ-La1.95Ca0.05Ce2O7-δ(3∶7)具有最高的电导率,850℃时在湿润的4%H2/Ar气氛下的电导率为2.49×10-2S/cm,电导活化能为1.13eV。