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复合掺杂氧化物La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ的结构与电性能研究

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第22卷第3期 2006年6月 天津理工大学学报 Vo1.22 No.3 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Jun.20o6 文章编号:1673-095X(2006)03.0034-05 复合掺杂氧化物 La1一 Sr Oa1一y Mgy 03—6 的 结构与电性能研究 赵 捷 ,王志奇 ,包俊成 ,马 叙 ,李建平 (1.天津理工大学材料科学与工程学院,天津300191;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,沈阳110004) 摘要:用固相反应法合成低价离子Sr、Mg复合掺杂的ABO3型氧化物 9Sro。Gao 85Mgo。5O2 8,5(LSGM1015) 9 Sro lGao 75Mgo 25O2 825(LSGM1025);借助EDS、XRD、SEM、直流四电极法等对LSGM1015和LSGM1025的微区成分、晶 体结构、断面显微组织及导电性等进行研究.EDS和XRD分析表明:合成的LSGM1015和LSGM1025样品中杂质元 素很少,且具有正交钙钛矿结构,基本上不合杂相;电导率测试结果表明:在673~1073 K温度区间,其电导率与温度 的关系符合Arrhenius定律,说明LSGM1015和LSGM1025为氧离子导体,且离子迁移活化能Ea一1 eV;Sr、Mg复合掺 杂量较多( +Y:0.35)的LSGM1025具有较高的离子电导率. 关键词:复合掺杂氧化物;钙钛矿结构;氧离子导体;固体电解质; 中图分类号:TQ174.75 文献标识码:A Study on structure and electrical property of compositely doped oxide La1srxGa】yMgyO3一 一一n ZHAO Jie ,WANG Zhi—qi ,BAO Jun.cheng ,MA Xu ,LI Jian—ping (1.School of Materials Sci.and Eng.,Tianjin University of Technology,Tinjain 300191,China;2.Rolling Technique and Tandem Automation National Key Laboratory,Northeastern University,Shenyang 110004,China) Abstract:Compositely Doped Oxide 9SrolGao 85M J5O2 s (LSGM1015)and 9Sro JGao硝Mgo O2 8 (LSGM1025) were synthesized by solid state reaction method.The composition,crystal structure,ionic conductivity and microstucture of rLSGM1015 and LSGM1025 samples were analyzed by Using EDS.XRD.DC four-probe and SEM.EDS and XRD show that LSGM1015 and LSGM1025 with low content of impurity possess orthorhombic perovskite—type stuctrure,and impurity phBSes have not been found in them.Electicalr measurement results show that LSGM1015 and LSGM1025 are oxygen ion conductors based on the fact that temperature dependence of the conductivity conforms to the Arrhenius equation in 673—1073 K,and that thev have simllar activation enery(Ea一1g eV).LSGM1025( GM1015. Y=0.35)has higher ionic conductivity than LS— Key words:compositely doped oxide;perovskite stuctrure;oxygen ion conductor;solid electrolyte 固体氧化物燃料电池(SOFC)是第三代燃料电 固体电解质是SOFC中的最关键材料之一. 0.08 mol氧化钇稳定的氧化结(即8YSZ)是当前 池,与其它类型的燃料电池相比,SOFC具有发电效 率高、全固化、低污染、燃料适应性强等特性,因而被 SOFC中最常用的固体电解质材料,但是为获得较高 的离子电导率和合理的能量密度,需要在1 000℃高 称为21世纪的绿色新能源之一 收稿日期:2005-11—29. . 基金项目:天津市自然科学基金(33700111). 第一作者:赵捷(1958一),女,硕士,教授 维普资讯 http://www.cqvip.com

2006年6月 赵捷,等:复合掺杂氧化物La Sr GahMg O 的结构与电性能研究 ・35・ 温下工作,这会引起电极烧结、界面反应、热膨胀系 数不匹配等一系列问题.所以迫切希望在不降低 结构. 1.2实验过程 SOFC性能的前提下降低其工作温度,因此寻求中温 下具有较高离子导电率的新型固体电解质材料倍受 国内外的关注I 5-61.自1994年Ishihara等[ 首先报 道镓酸镧系钙钛矿型氧化物具有较高的离子电导 率后,在国际上引起轰动,被认为是最有希望成为 中温SOFC的固体电解质材料之一,因而有关 制备Sr、Mg掺杂的LSGM1025和LSGM1025固 体电解质样品使用的原料为:La:O,(分析纯)、 Ga O (光谱纯)、MgO(分析纯)、SrCO,(分析纯).按 LSGM1025和LSGM1025的化学计量比,在BP121型 电子天平上称取所需质量的各种化学试剂,将称好 的试剂混合且充分研磨后,利用DY.20台式电动压 LaGaO3基复合氧化物的合成方法、掺杂种类、晶体 结构、导电性等一直是国内外研究的热点问 题 。 .本文采用固相反应法合成低价离子sr、Mg 掺杂量不同的LSGM系复合氧化物,并对其微区成 分、晶体结构及导电性等进行了研究.降低能 耗并避免杂相生成是固相法合成LSGM系固体电 解质要解决的关键问题. 1实验材料与方法 1.1材料设计 对钙钛矿型结构氧化物LaGaO,,以低价离子部 分取代La¨,Ga 即不等价掺杂,为保持体系的电中 性,结构中必然产生氧空位,氧离子通过氧空位进行 迁移.因此,低价离子掺杂是提高氧离子电导率的 有效手段. 为使掺杂后化合物不产生杂相,A位(即La)和 B位(即Ga)掺杂应选择与其离子半径相匹配的元 素较为合适,因此而选定掺杂元素为sr和Mg,本实 验拟合成两种不同掺杂水平的LSGM样品,其中一 种sr的掺杂量为10%,Mg的掺杂量为15%,记作 LSGM1015;另一种sr的掺杂量也为10%,Mg的掺 杂量为25%,记作LSGM1025. 对于ABO 钙钛矿型氧化物,其结构稳定性可用 容忍因子t来描述.能生成钙钛矿型复合氧化物的 容忍因子t值范围为0.75~1.00 . 根据t的表达式 £: √2( 4+(1一 )r5+r3) 式中,rl,r2,r3,r4, 分别代表sr¨,La¨,O , Mg¨,Ga 的离子半径,计算LSGM1015和Ls- GM1025的t值分别为0.858和0.854,均在0.75~ 1.00范围内.计算结果也说明虽然LSGM1015和 LSGM1025的掺杂量不同,但都有可能生成钙钛矿型 片机在18 MPa下压制成圆片;然后对其进行等静压 处理,最后在DK.34型高温烧结炉中烧结(微机控 制),先升温至300℃,保温20 min,然后再以较快的 速度升温至1 400℃烧结,保温180 min,随炉冷却至 室温,使用英国OXFORD公司的INCA能谱仪进行成 分分析,谱图处理过程中没有被忽略的峰;样品的物 相结构采用日本理学Rigaku D/Max.2500X射线衍 射仪进行分析,测试条件:Cr靶(A=0.228 97 nm), 工作电压40 kV,工作电流100 mA,扫描范围10~ 100℃,扫描速度0.02。/min;烧结样品的物相结构 是根据测定的XRD谱,并与JCPDS卡片标准图谱比 较而归属. 在300~800℃范围,用直流四电极法测量Ls-圈  GM1015和LSGM1025样品的离子电导率;用荷兰 FEI Quanta 400环境扫描电镜,观察样品的断面形貌 与显微结构.实验流程见图1. 嚣 r臣亟圃 国一.{ l断面组织观察I 图1实验流程图 Fig.1 Experiment flowchart 2实验结果与分析 2.1样品成分分析 利用能谱仪对LSGM1025和LSGM1015样品成 分进行分析,其结果如图2、图3所示. 实验结果表明,LSGM1015和LSGM1025样品 中除了含有La、Ga、,Sr、Mg、O和少量的ca元素 维普资讯 http://www.cqvip.com

・36・ 天津理工大学学报 第22卷第3期 外,不含其它杂质元素,说明合成的两种样品的纯 交晶系的标准XRD谱(No.24—1102)相一致,可将 度均较高+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 满量程684 ets光标:5.860 keV(71 cts1 keV 图2 LSGM1025能谱分析图 Fig.2 EDS analysis of LSGM1025 L 满量程149 cts光标:6 620 keV(7 cts) keV 图3 LSGM1015能谱分析图 Fig.3 EDS analysis of LSGM1015 2.2样品结构分析 图4为LSGM1015和LSGM1025样品的Ⅺ{D谱图. 00 80 L 60 一 40 一 20 0 - .n …6一一 . 20 40 60 80 10O 2 0/(。) 00 80 一 60 一 40 一 20 0 - . ^, .一—上一 一 2O 4O 60 80 lOO 2 0/(。) 图4 LSGM1015和LSGM1025样品的XRD谱图 Fig.4 XRD pattern of LSGM1015 and LSGM1025 samples 比较实验结果和JCPDS标准卡片,可以看出, LSGM1015和LSGM1025样品XRD谱与LaGaO3正 两种样品归属于ABO 型正交钙钛矿结构.LaGa0 经sr、Mg掺杂后,没有引起结构变化,说明ABO 钙 钛矿型结构氧化物具有较稳定的晶体结构,且对A 位和B位离子半径变化有较强的容忍性. 另外,基本上未发现LaSrGa 0 、La SrO 等杂 相出现.以往的研究认为:固相反应合成法,能耗 高,烧结致密度低,在长时间高温烧结过程中, Gaz0 易分解出Ga:0(g)和0:(g),由于Ga组分 的挥发,使A位和B位阳离子摩尔比偏离化学计 量比,导致一些杂相出现,对离子导电率产生不利 影响¨ ” .本实验结果说明采用固相法,只要适 当控制工艺参数(烧结温度和时间等),也能得到 基本上无杂相的LSGM系氧离子导体. 根据各峰对应的晶面间距d,由JCPDS标准谱 图24—1102,查出(hk])值,任取3组,代人正交晶系 的d与(hk1)的关系式中,算出晶格常数和晶胞体 积,结果见表1. 表1 样品的晶格参数与晶胞体积 Tab.1 Lattice parameter and crystal unit volume 可见,与纯LaGaO 相比,经Sr、Mg掺杂后的 LSGM1015和LSGM1025样品晶格常数变大,晶胞 体积增大.这是由于掺杂的srn(116 pm)、Mg (72 pm)离子相对La¨(106 pm)和Ga¨(62 pm) 离子半径较大所致. 2.2导电性分析 图5给出了LSGM1015和LSGM1025复合掺杂 样品的电导率与温度的关系. 可见,LSGM1015和LSGM1025的电导率随温度 升高而增加,且在相同温度下掺杂量 +Y:0.35的 LSGM1025具有较高的离子电导率. 图6为根据不同温度下的电导率数据,以】n (o-T)对I/T作图而得到的. 从图6中不难看出,在673—1073 K之间LS— 维普资讯 http://www.cqvip.com

2006年6月 赵捷,等:复合掺杂氧化物La Sr Ga Mg 0 的结构与电性能研究 .37. 1 ~8 g 6 ● 4 b 2 O 00 7ycc 图5 LSGM1015和LSGMl025的 离子电导率与温度的关系 Fig.5 Temperature dependence of the electrical conductivity for LSGM1015 and LSGMl025 图6 LSGM1015和LSGM1025的Arrhenius曲线 Fig.6 Arrhenius plot of LSGM1 01 5 and LSGM1 025 GM1015和LSGM1025样品Ln(o'T)与1/T近似呈线 性关系,且两直线基本保持平行,表明其电导率与温 度的关系符合Arrhenius方程,说明LSGM1015和 LSGM1025样品为氧离子导体. 离子导电激活能Ea取决于直线的斜率.利用 最小二乘法对实验数据进行处理,可得到两条直线 的斜率,再由斜率计算出不同掺杂样品LSGM1015 和LSGM1025的离子迁移活化能Ea分别为1.004 eV和0.998 eV;显然两个样品的离子活化能Eo很 相近.由A ̄henius方程知,在 一定,Eo也相近,决 定导电性的因素主要为 。. 。取决于空位浓度和 结构参数,LSGM1015和LSGM1025的结构参数相差 不大,由于Mg的掺杂量不同,造成两者的氧空位浓 度不同.LSGM1025的掺杂量较多(0.35),氧空位浓 度较高,有利于氧离子迁移,故表现出较高的电导 率.但低价金属Sr、Mg的过量掺杂对离子导电性能 也不利,因为在氧空位浓度高到一定程度时易产生 空位缺陷团聚簇合,这样会减少晶体中的有效空位 浓度,导致离子电导率降低.可见,低价金属Sr、Mg 的适量掺杂对离子导电性能有利. 2.3断面组织形貌分析 用SEM观察了LSGM1015样品的断面形貌,其 结果见图7. (a)表面(低倍) . 孔内(商倍J 图7 LSGM1015样品的断面显微组织形貌(SEM) Fig.7 Microstructure morpholy of LSGM1015 on surface(a)and in hole(b)(SEM) 作低倍(×200)观察,可看到断面上有较多微 孔,这主要是在反应过程中释放出较多气体的缘故, 说明样品内部不够致密,这对电导率会产生不良影 响,同时也可推断该样品的烧结强度较低. 高倍(×5 000)下观察微孔表面的组织形貌,不 难看出,晶粒的生长情况较好,且晶粒尺寸也较小, 但不够均匀. 3 结 论 1)XRD分析表明,在相对较低温度下合成的 sr、Mg复合掺杂LSGM1015和LSGM1025样品均具 有正交钙钛矿结构. 2)只要适当控制工艺参数,采用固相反应法也 能合成基本上无杂相的LSGM系固体电解质. 3)导电性分析结果表明,LSGM1015和Ls— GM1025两种陶瓷材料均为氧离子导体,且离子迁移 活化能Ea 1eV. 4)低价金属元素sr,Mg的适量掺杂,有可能获 维普资讯 http://www.cqvip.com

・38・ 天津理工大学学报 第22卷第3期 得较高的有效氧空位浓度,有利于提高LSGM系氧 离子导体的电导率. 参考文 献: [9]DRENNAN J,ZELIZKO V,HAY D,et 1.Charaacteriza— tion,conductivity and mechanical properties of the oxygen —ion conductor Lao 9 S Gao 8Mgo 2O3[J].J Mater Chem,1997,7(1):79—83. ST-PIERRE J,WILKINSON D P.Fuel cells:a new,effi— [10]LERCH M,BOYSEN H,HANSEN T.High—temperature neutron scattering investigation of pure and doped Im.ntha— cient and cleaner power source[J].AICHE Journal,2001, 47(7):1482—1487. nun gallate[J].J Phys Chem Solids,2001,62:445—455. [1 1]TROFIMENKO N,ULLMANN H.Transition metal doped [2] 卢俊彪,张中大,唐子龙.固体氧化物燃料电池的研究 进展[J].稀有金属材料与工程,2005,34(8):1177— 1180. [3] SERVICE R F.Bringing Fuel Cells Down to Earth[J]. Science,1999,285:682-685. [4] 孙家枢,赵捷,王志奇.固体氧化物燃料电池电解质 用离子导体[J].天津理工学院学报,2001,17(2):28— 33. [5] HUUSMANS J P P.VANBERKEL F P F,CHRISTE G M. Intermediate temperature SOFC—a promise for the 21 cen— tury[J].J Power Sources,1998,71:107—110. [6] 魏丽,陈诵英,王琴.中温固体氧化物物燃料电池 电解质材料的研究进展[J].稀有金属,2003,27(2): 286—298. [7] ISHIHARA T,MA1’sUDA H,TAKITA Y.Doped LaGaO3 perovskite type oxide as a new oxide ionic conductor[J]. J Am Chem Soc,1994,116:3801—3806. [8] 尧巍华,唐子龙,罗绍华,等.晶体结构对LaGaO 基固 体电解质电性能的影响[J].硅酸盐学报,2003,31 (1):1—4. Lanthanum gallates[J].Solid State Ionics,1999,118: 215—227. [12]郑文君,武丽艳,彭定坤,等. Sr0。Gao。Mgo:O 一8 的柠檬酸法制备与表征[J].无机功能材料,2001,16 (2):358—362. [13]尧巍华,唐子龙,张中太,等.L丑o,Sro,Gao。Mgo:O:。 固体电解质合成及其性能[J].稀有金属材料与工程, 2004,33(3):297—299. [14]王中林,康振川.功能与智能材料结构演化与结构分 析[M].北京:科学出版社,2002. [15]DJURADO E,LABEAU M.Second phase in doped Lan— thanum gallate perovskite[J].J Eur Ceram Soc,1998, 18:1397—1404. [16]张乃庆,孙克宁,吴宁宁,等.镓酸镧固体电解质制备 方法的研究进展[J].电子工业技术,2004,25(3):99— 102. [17]AHMAD—KHANLOU A,TIETZ F,STOVER D.Materila properties of 8Sro 2Gao 9+ Mgo l 038 as a function of Ga content[J].Solid State Ionics,2000,135:543—551. 

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