[发明专利]复相结构锆酸钡质子导体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，特别涉及复相结构锆酸钡质子导体材料及其制备方法。

背景技术

钙钛矿型质子导体是一类新的导体材料，可广泛应用于质子陶瓷燃料电池(PCFC)的电解质材料、氢气分离、氢气传感器、加氢脱氢反应等。Iwahara等人于1981年报道了掺杂钙钛矿型铈酸盐和锆酸盐质子导电性以及机理研究[Iwahara H，Esaka T，Uchida H，et al.Proton conduction in sintered oxides and its application to steam electrolysis for hydrogenproducti

相对于铈酸盐质子导体，锆酸盐质子导体虽然质子电导率较低，但是它的稳定性很好，如果对它进行均相掺杂与异相复合两条途径同时改性，能使其电导率提高到10^-2S/cm以上，则它的应用前景和意义非常显著。由于钙钛矿质子导体日益受到关注，攻克锆酸盐低导电性难题迫在眉睫。本发明提出对锆酸钡采用新的均相掺杂物(Sc₂O₃)以及新的异相复合物质(氟化物)，制备新的复相结构锆酸钡质子导体材料。通过微观结构设计和控制，对其制备进行研究，使异相复合物均匀分布在晶界，形成复相结构，解决晶界对于材料电导率的制约，实现性能突跃，以期提高复相结构质子导体的电导率，使该材料进入实用化阶段。此方面的研究工作迄今还未见相关的报道。

发明内容

本发明选择了结构稳定、具有较高晶粒电导的掺杂锆酸钡质子导体为基体，通过添加ZnO烧结助剂以降低烧结温度，再添加氟化物，均匀分布在晶界，形成复相结构，增强界面质子传导，对其制备进行研究，以期提高复相结构质子导体的电导率。

本发明的技术如下：

复相结构锆酸钡质子导体的组成和摩尔含量如下：

以5～30％摩尔Sc₂O₃掺杂的BaZrO₃为基体，然后外加1～10％摩尔ZnO和5～50％摩尔CaF₂或BaF₂或NaF。其中ZnO为烧结助剂，氟化物为具有质子导电性的无机盐，均匀分布在晶界处，起到改善晶界电导的作用。

本发明的复相结构锆酸钡质子导体的制备方法，是将BaCO₃∶ZrO₂∶Sc₂O₃为1∶1∶0.05～0.30摩尔配料，以水为介质球磨混合4～10小时，经干燥、研磨、过筛，在1200～1400℃煅烧4～12小时，得到Sc₂O₃掺杂的BaZrO₃基体材料；然后以基体材料为基准，外加1～10％摩尔的ZnO，球磨混合4～10小时，再经干燥、研磨、过筛后，再以基体材料为基准，加入5～50％摩尔CaF₂或BaF₂或NaF，研磨至混合物到均匀；将混合料装入模具进行干压成型，压力为50～120MPa，再经过200～350MPa等静压；在1200～1500℃在空气气氛中烧结，升温速率2～10℃/分钟，保温2～10小时，然后自然冷却至室温，制得复相结构锆酸钡质子导体材料。

本发明制备了优良导电性能的复相结构锆酸钡质子导体材料，为开发氢气和水蒸气传感器、氢泵和浓差电池电解质材料奠定了基础。本发明提出Sc₂O₃均相掺杂和在晶界中引入具有质子导电性的氟化物，通过复合和烧成控制，使其均匀分布以改善晶界特性，在工作温度下盐类物质熔融转变为超离子相，提高质子迁移速度，同时晶界异相界面上形成空间电荷，增强界面质子传导，提高材料电导率，如图1所示。

本发明所提供的制备方法简单，成本低廉。本发明提出对锆酸钡质子导体同时进行复相结构和掺杂改性的新思路，通过微观结构设计和控制，通过适当的复合工艺，解决晶界对于材料电导率的制约，实现电导率性能的突跃，预期使材料电导率达到10^-2S/cm以上，为开发氢气和水蒸气传感器、氢泵和浓差电池电解质材料奠定了基础。

附图说明

图1：添加不同氟化物电导率曲线图。

具体实施方案

实施实例1