[发明专利]镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及无机材料领域，公开了一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用，所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为：La_9.33+x‑yM_ySi₆O_26+δ，其中，0≤x≤0.67，0<y≤1，0≤δ≤1，制备方法包括：在沉淀反应条件下，按照化学计量比将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐，与沉淀剂在水中接触，分离得到的固体沉淀物，并将所述固体沉淀物进行可选的干燥，以及焙烧；其中，金属元素M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。采用本发明提供的方法制备的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧具有相态纯、成本低的特点。

技术领域

本发明涉及一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池具有能量转换率高、环境友好、无机械噪音、不同功率适应强和安全可靠等优点，将逐步取代传统发电系统，缓解环境污染，解决电力短缺等问题。目前已经开发了多种燃料电池，如固体氧化物燃料电池(SOFC)则是其中的一种。固体氧化物燃料电池作为一种将化学能转化为电能的系统，具有高能量转化效率和低污染等优点，是目前最具潜力的新型能源之一。电解质是固体氧化物燃料电池的核心部件，它的主要作用是传递氧离子，同时隔绝燃料与氧气。固体氧化物燃料电池的电解质主要包括萤石型电解质、钙钛矿型电解质和磷灰石型电解质。其中，磷灰石型电解质是在中低温下具有较高的离子电导率和低活化能的新型固体电解质。磷灰石型硅酸镧的活化能低、热膨胀性能适中，是中低温固体氧化物燃料电池电解质的一种候选材料；但是磷灰石型硅酸镧电解质的氧离子电导率偏低，需要掺杂离子以提高其电导率，文献上常有的方法是镧位掺杂和硅位掺杂两种。

文献中报道的常用于硅位掺杂元素的方法是固态熔融法和溶胶-凝胶法。比如，文献Journal of Materials Chemistry,2007,17,2078-2087提出了一种镧位掺杂Ca、Sr、Ba的方法，是以氧化镧、二氧化硅和碳酸盐为原料，通过固态熔融法来制备镧位掺杂的磷灰石型硅酸镧。Chinese Journal of Chemical Engineering,2010,18(2)328-332提出了一种镧位掺杂V的方法，以硝酸镧、硅酸四乙酯、五氧化二钒为原料，通过溶胶-凝胶法来制备镧位掺杂的磷灰石型硅酸镧。通过分析文献发现，固态熔融法虽然采用的原料价格便宜，但制备的磷灰石型电解质相态不纯，常含有氧化镧杂质；而溶胶-凝胶法虽然能制备出纯相态的磷灰石型电解质，但要采用价格较高的硅酸四乙酯，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷问题，提供一种新的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法及由该方法制得的镧位掺杂磷灰石型硅酸镧及其应用，采用本发明的方法能够制得纯相态镧位掺杂磷灰石型电解质，且方法简单、条件温和、成本低廉。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的制备方法，其中，所述镧位掺杂磷灰石型硅酸镧的结构通式为：La_9.33+x-yM_ySi₆O_26+δ，其中，0≤x≤0.67，0<y≤1，0≤δ≤1，所述制备方法包括：在沉淀反应条件下，按照化学计量比将可溶性镧盐、金属元素M的可溶性盐以及可溶性硅酸盐，与沉淀剂在水中接触，使得可溶性硅酸盐与沉淀剂分别将可溶性盐的阳离子沉淀，分离得到的固体沉淀物，并将所述固体沉淀物进行可选的干燥，以及焙烧；

其中，金属元素M选自元素周期表第ⅡA族金属、第ⅤA族金属、第ⅠB族金属、第ⅤB族金属、第ⅦB族金属、第Ⅷ族金属以及除镧之外的镧系金属中的至少一种。