[发明专利]一种掺杂金属的锆酸钙材料、制备方法及其用途

说明书

本发明涉及一种掺杂金属的锆酸钙材料、制备方法及其用途，其中，掺杂金属的锆酸钙材料包括如下原料：碳酸钙粉末、氧化锆粉末和氧化铁粉末，且氧化锆粉末和氧化铁粉末的总摩尔数与碳酸钙粉末的摩尔数之比为1:1；氧化铁粉末的摩尔数占氧化锆粉末和氧化铁粉末的总摩尔数的0.05～0.15。本发明中的掺杂铁的锆酸钙材料同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异。本发明中掺杂铁的锆酸钙材料的制备方法工艺简单，成本低，制得的掺杂铁的锆酸钙材料气孔极少，致密性、力学性能均得到了大大的提高。本发明中的掺杂铁的锆酸钙材料能够用于氧传感器中的致密扩散障碍层、固体氧化物燃料电池的阴极或者氧气分离膜。

技术领域

本发明属于锆酸钙材料技术领域，具体涉及一种掺杂金属的锆酸钙材料、制备方法及其用途。

背景技术

电化学氧传感器分为原电池型和限流型两种。由于原电池型氧传感器的电位是浓度比的对数的函数，所以原电池型氧传感器在高氧分压下较不敏感。极限电流型氧传感器的极限电流是浓度的函数，所以测量范围更宽，精度更高。目前极限电流型氧传感器分为小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型三种类型，其中，小孔型和多孔型存在造价昂贵、经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞等缺陷。相比较，致密扩散障碍层型由于采用了氧离子-电子混合导体作为致密扩散障碍层，能够克服孔隙堵塞的问题，工作性能更加稳定、响应时间更灵敏、寿命更长。因此，致密扩散障碍层极限电流型氧传感器越来越受到关注。

对于致密扩散障碍层的材料要求是必须同时具备一定的氧离子传导性和较高的电子导电性。现有的用于致密扩散层的材料一般为LSM粉末、LSC粉末或者LSF粉末等，但是这些材料价格昂贵、成本高，同时力学性能和稳定性也较差。因此，亟需研发一种同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异的新型材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异的掺杂铁的锆酸钙材料、制备方法及其用途。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种掺杂金属的锆酸钙材料，包括如下原料：碳酸钙粉末、氧化锆粉末和氧化铁粉末，且氧化锆粉末和氧化铁粉末的总摩尔数与碳酸钙粉末的摩尔数之比为1:1；氧化铁粉末的摩尔数占氧化锆粉末和氧化铁粉末的总摩尔数的0.05～0.15。

本发明另一方面提供上述掺杂金属的锆酸钙材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将碳酸钙粉末、氧化锆粉末和氧化铁粉末按摩尔比1：(0.7～0.9)：(0.05～0.15)进行配料；S2、将步骤S1得到的所有粉末混合在一起进行研磨，形成第一待模压物料；S3、将第一待模压物料压制成型，然后进行煅烧，得到掺杂铁的锆酸钙的复合物；S4、对复合物再进行研磨，形成第二待模压物料；S5、将第二待模压物料压制成型，然后再进行烧结，得到掺杂铁的锆酸钙材料。

根据本发明，在步骤S2中，研磨时间为1.5～3h，第一模压物料的粒度≤100μm。

根据本发明，在步骤S3中，压制成型时的压制压力为5～10Mpa，煅烧的时间为4～8h，煅烧的温度为1000～1300℃。

根据本发明，在步骤S4中，研磨时间为2～3h，第二待模压物料的粒度≤100μm。

根据本发明，在步骤S5中，压制成型时的压制压力为8～20MPa，烧结时间为8～12h，烧结的温度为1200～1600℃。

本发明再一方面提供一种上述掺杂金属的锆酸钙材料的用途，用于致密扩散障碍层极限电流型氧传感器中的致密扩散障碍层。

本发明再一方面提供一种上述掺杂金属的锆酸钙材料的用途，用于固体氧化物燃料电池的阴极或者氧气分离膜。