[发明专利]一种改性ZrO2

说明书

一种改性ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，涉及固体电解质陶瓷材料制备技术领域。称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解；向混合液中加入乙二醇，超声使乙二醇分散均匀；调节溶液pH值后恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置形成凝胶；将凝胶烘干后进行煅烧，煅烧结束后研磨至超细粉，得到电解质粉体材料；加入PVA进行造粒，压力下压制成片，程序升温炉进行烧结即得ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料。本发明采用超声波辅助溶胶凝胶法制备固体电解质，在氧化锆基中掺杂生产氧化铈和氧化铜，以期望提高氧化锆基的电导率。

技术领域

本发明涉及固体电解质陶瓷材料制备技术领域，具体是涉及一种改性ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法。

背景技术

固体燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFCs)的本质是一种将燃料中难以使用的化学能或使用效率非常低的化学能转化为人们能够方便使用的电能。固体燃料电池的内部是由很多的小电池通过连接而成的。每个小电池的主要结构为阴极、阳极、点击分离器和电解质，及连接体共同构造而成。在固体氧化物燃料电池中，最重要的就是电解质，大部分是由氧化物陶瓷制成，这些陶瓷一般电性能比较优秀。在SOFCs中，之所以电解质非常重要，是因为它是作为一种通道，连接电极，使电极之间能够传导电子，所以对于SOFCs的电解质陶瓷制作材料的要求非常严格。

固体燃料电池的大致的工作过程，首先是燃料从阳极进入，在阳极发生反应，释放出能量，转化成电流，为外界的电子元器件提供电能，而在内部承担起电子交流的就是电解质。氧气由阴极进入，提供氧离子。在内部经过电解质交换电子，所以对于电解质的导电性能要求很高。

单斜ZrO₂不具备导电性能，而四方ZrO₂电导率很低，所以一般使用掺杂的立方ZrO₂作为电解质材料。大量研究表明：通过向ZrO₂中掺杂某些二价或三价的碱土金属氧化物(如CaO、MgO、Y₂O₃、Sc₂O₃、Yb₂O₃、CeO₂)等，形成立方相固溶体，使三价或二价稀土离子取代Zr⁴⁺，使其从室温到高温都为立方相，增加氧空位，改进其氧离子电导性能。

综合来说，氧化锆基电解质有望成为最有商业价值的高温氧化物燃料电池。一般ZrO₂基固体电解质材料在较高的温度下(通常1000℃左右)运行，在1000℃下，其电导率较高，但也带了一些问题，如材料的缓慢分解，相际扩散及金属连接材料的腐蚀等。此外在800℃左右，其O^2-电导率与别类型的固体电解质材料对比仍较低。为了提高该材料的电导率，研究人员从未停歇过，他们在ZrO₂的掺杂改性方面进行了大量研究，并取得了许多成果。研究结果表明，有些掺杂物的加入能够较大的提高氧化锆基的电导率。

采用传统的高温固相法制备ZrO₂-CeO₂-CuO复合材料,通常需要在1500℃以上进行烧结, 容易造成原料中CuO组分的挥发,导致ZrO₂或其它杂相的析出,很难获得纯相,组分会变得不易控制。本发明采用的是超声波辅助溶胶凝胶法制备ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料，溶胶-凝胶法因操作简便，得到的粉体的粒径均匀且较小，性能好，实验过程易操作且重复性好而被广泛使用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种改性ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法。获得的改性ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料具有优良的导电性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种改性ZrO₂基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，步骤如下：