[发明专利]一种钪和铈混合掺杂氧化锆粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，特别涉及一种用于固体氧化物燃料电池电解质的钪和铈混合掺杂氧化锆粉体及其制备方法。

背景技术

未经掺杂的ZrO₂不具导电性，随温度的上升由单斜相向四方相及立方相转变并伴随有体积变化。然而用二价或三价氧化物掺杂ZrO₂，可以在室温下获得稳定的立方相或四方相，同时当用低价态的离子Sc³⁺或Y³⁺置换ZrO₂中的Zr⁴⁺时，产生过剩负电荷，为保持电中性，晶体中形成相应的带正电荷的氧空位，正是这样形成的氧空位导致了氧化锆相当的离子导电能力，从而广泛应用为SOFC电解质材料。

在掺杂氧化锆基电解质中，Sc₂O₃掺杂ZrO₂(ScSZ)具有最高的电导率，例如在800℃时，11ScSZ的电导率为0.12S/cm,远远高于8YSZ的电导率0.03S/cm，但是由于11ScSZ在高温处理后经常会出现低电导率的β相，因此CeO₂、Gd₂O₃、CaO、Y₂O₃、Al₂O₃等通常作为相稳定剂，与Sc₂O₃共掺杂ZrO₂，有助于抑制ScSZ中高电导率的立方结构c相向低电导率的菱形β相转变，其中，10mol％Sc₂O₃和1mol％CeO2掺杂的ZrO₂(10Sc1CeSZ)在退火处理后表现出最高的离子导电性和很好的稳定性。

近年来，钪和铈混合掺杂氧化锆粉体(以下简称10Sc1CeSZ)电解质由于具有较高的电导率，且经高温烧结后其立方结构c相能够稳定到室温的优异特性，因此被广泛用作中温固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质材料。但是，由于钪、锆离子半径太接近而导致10Sc1CeSZ电解质烧结活性较差，因此需选用一种合适的粉体制备方法。目前，国内10Sc1CeSZ粉体的制备仅处于实验室少量的合成，所制备的粉体虽然也具有立方萤石结构以及良好的烧结活性，但是所采用的方法，要么工艺复杂、不易控制、比较费时，对设备及原料要求较高，制备成本也相应的提高，要么就是对环境造成严重的污染，均不适宜用于规模化的工业生产。电解质作为SOFC的最为关键的材料，适于规模化的生产10Sc1CeSZ粉体的制备工艺技术的开发，必定会强力推动SOFC的技术开发及其商业化。

目前关于10Sc1CeSZ粉体的制备方法有很多，常见的方法为共沉淀法，但是共沉淀的前驱体在干燥和煅烧阶段容易产生硬团聚，因此又发展了超临界干燥法、共沸蒸馏法等，但是需要较复杂昂贵的设备，增加了制备成本，因此很难得到广泛的应用。而水热法是直接从沉淀前驱体的液相中结晶出10Sc1CeSZ纳米粉体，可以避免煅烧过程中产生硬团聚，所合成的纳米粉体具有较大的比表面积，可以有效的降低烧结温度，这是因为颗粒尺寸减小，烧结时物质扩散的路径短，质量传递速度变快，从而导致烧结温度降低；同时材料的颗粒尺寸减小到纳米级，纳米颗粒具有较大的比表面能，导致烧结的驱动力增加，降低了烧结温度；此外，纳米材料颗粒晶界上往往有许多位错、层错、晶格扭曲等缺陷，缺陷的存在也能促进瓷体在烧结过程中的致密化。但是，目前流延工艺被广泛应用于SOFC电解质薄膜的批量制备，而由此工艺制备的纳米粉体具有较大的比表面积，不适宜用于流延工艺，因此需要对该工艺进行合理的优化，以获得具有合适比表面积且有较好烧结活性的10Sc1CeSZ粉体。

为了探索10Sc1CeSZ粉体的批量生产工艺，选用了有希望实现工业生产、且粉体性能良好的水热法合成10Sc1CeSZ粉体，对粉体的物相结构、微观形貌、粒度分布、烧结性能、电性能等进行了研究，通过优化水热合成10Sc1CeSZ纳米粉体的工艺条件，将粉体在不同温度煅烧，制备不同粒径的10Sc1CeSZ粉体，考察经不同温度煅烧后的粉体性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种钪和铈混合掺杂氧化锆粉体及其制备方法，即通过优化水热法合成10Sc1CeSZ粉体的工艺，以获得适合流延工艺并具有较好烧结活性的具有适合比表面积的10Sc1CeSZ粉体，并实现10Sc1CeSZ粉体的工业化生产以满足市场对于SOFC中对10Sc1CeSZ粉体制备的高效电解质材料的需求。